在探索科学界的历史长河中,理论物理学界的巨擘们可谓星光璀璨,若试图对他们进行排名,则各人所持见解不尽相同。然而,牛顿和爱因斯坦这两位天才无疑是大家心目中的翘楚。
牛顿所代表的是古典力学的荣光,而爱因斯坦则是现代科学的开山鼻祖,与他同时代的科学家们宛如改革者,推翻了古典力学的根基,并构筑了现代科学的双塔:相对论与量子力学。
在这两大支柱中,相对论几乎可以视为爱因斯坦一人的独到贡献。相对论分为狭义相对论与广义相对论。在狭义相对论里,爱因斯坦以光速不变和相对性两大原理作为其理论根基。
通过对光速不变的推论,我们得知,光速成为了信息、物质及能量传递的极限速度,没有任何东西能够超越这一速度。这一观念一开始让许多科学家难以接受,狭义相对论提出后经过一段长时间的实验验证,才逐渐获得学界的广泛认同。许多人会心生疑问:何以见得光速是宇宙中物质、信息、能量的极限速度,而不是其他速度呢?光又是如何瞬间达到光速,它的驱动力究竟来自何方?
对于这些疑问,与爱因斯坦同时代的物理学家们早已开始探索。他们前赴后继,杰出的物理学家们首先构建了量子力学,紧接着结合狭义相对论与量子力学,推演出量子场论,并进一步发展出粒子物理的标准模型。
这一理论的必要性,很大程度上源自实验科学的挑战。20世纪初,卢瑟福通过简单的“α粒子”散射实验揭示了原子的模型,开启了原子核物理研究的先河。
之后的科学家们仿效这一实验方法,通过粒子对撞来揭示微观世界的物理现象。这一“对撞”激荡出了上百种粒子,如何有序地安置这些粒子成为了一个迫切的问题。
为了解决这一问题,物理学家们提出了标准模型,该模型对这些粒子进行了有序的归类。尽管该模型极为复杂,但我们可以尝试简略地概述其内容。
早在古希腊时期,哲学家们就开始思考宇宙的起源。他们提出了两条探索路径,一是探究万物的基本构成,二是探讨万物之所以成为万物的深层规律。前者逐渐演变为对万物最小构成单位的研究,并在德谟克利特和亚里士多德的时代达到高峰,然而这还停留在哲学思辨的层面,没有与微观物理学现象结合。
而标准模型恰好弥补了这一缺憾,它基于微观世界的物理学现象构建。在这个模型中,有两种基本的粒子:费米子和玻色子。费米子被视作将万物切至最小单位的粒子,它们不能共享同一个量子态,因此赋予物质体积的属性。而玻色子则如同“胶水”,通过传递相互作用将费米子黏合为物质。
为使解释更为直观,我们可以举例说明:夸克便是费米子,而胶子是玻色子,三个夸克通过胶子传递的强相互作用便能形成质子或中子。
质子和中子又可以通过介子传递的强相互作用形成原子核,原子核与电子之间则通过光子传递的相互作用形成原子。在此未提及的弱相互作用,则用于维持原子核的稳定性。有了原子,通过原子间的电磁力,它们进一步结合成分子,继而构成物质。因此,费米子与规范玻色子实际上就是古希腊先哲们心目中的万物本源,共同塑造了我们的世界。
那么,这些又与光速有何关联呢?
这个模型看似无懈可击,但它却存在一个致命缺陷:粒子的质量从何而来?
根据该理论,粒子本该是无质量的。然而,科学家通过计算发现,物质的质量99%源自于强相互作用,而剩余的1%却下落不明。
为了解答这一问题,几位科学家提出了著名的希格斯机制。他们提出,宇宙中还存在着一种标量玻色子——希格斯玻色子,它们负责赋予粒子质量。它们是如何做到的呢?
它们让粒子减速,以此使粒子获得质量。也就是说,在无任何阻碍的情况下,粒子本该以光速传播,然而部分粒子被希格斯玻色子“拦截”,导致速度降低,并获得了质量。
出乎意料的是,科学家的这一理论假设后来在大型粒子对撞机的实验中得到了证实,其中两位物理学家更是因此在2012年获得了诺贝尔奖。
但并非所有的粒子都会被“减速”,例如光子就不会,因此它所拥有的速度即为粒子原本的速度:光速。光子不是逐渐加速至光速的,它天生就是光速,因此它的静止质量为零。
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