光速,每秒30万公里,是宇宙中的速度极限,任何携带信息或能量的物体都不可能超过光速。
很多人就有这样的疑问:光速为什么这么快?光速飞行的动力到底是什么?
光速不但是宇宙的速度极限,还有另外一个非同寻常的特点:光速不变。也就是说光速是绝对的,是一个常数,光速与其他任何速度叠加之后仍旧保持光速不变。
爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,任何静质量不为零的物体都无法达到光速,而只要任何物体的静质量为零,比如说光子静质量就为零,比如以光速飞行,而且一出生就是光速,没有任何加速过程。
也就是说,质量是影响物体能否光速飞行的关键所在,那么,质量的本质到底是什么?质量与能量和光速到底有什么关系呢?
牛顿力学体系中,把质量描述成物体惯性大小的一种量,惯性与质量成正比,不过这样的定义其实是相当模糊的,并没有具体解释到底什么是质量。
而爱因斯坦狭义相对论中的质能方程,有了具体的描述,质量与能量等价,可以认为两者是一种东西,可以相互转化。但是,质能方程并没有告诉我们质量与能量到底是如何转化的,两者为什么与光速有这么密切的关系呢?
科学家们直到本世纪才弄明白质量,能量以及光速那些事,一切都源自一种粒子:上帝粒子,也叫“希格斯玻色子”(或者希格斯粒子),这种粒子是万物的质量之源,揭开了万物质量的来源,同时也让我们明白了质量与光速之间的关系。
通俗来讲,质量这种东西本不应该在宇宙中出现,也就是说,万物本不应该具有质量,都应该以光速运动。
也就是说,我们就不应该问“光速为什么这么快?”,因为刚才说了,万物本应该都以光速运动,光子只是在做应该做的事。更应该问“万物的速度为什么变慢了?”
这是因为,宇宙中的绝大部分基本粒子,都被“束缚”住了,以至于速度变慢了,而在速度变慢的过程中,也获得了质量。其实就相当于质量拖了基本粒子的后腿,让基本粒子无法达到应有的速度,也就是光速。
而希格斯玻色子,就是那个束缚基本粒子让它们获得质量的东西!
到底怎么回事呢?让我们先从四大基本作用力说起。
我们都知道,自然界存在四种作用力,分别是强力,弱力,电磁力和引力。自然界的所有物质都是通过这四种力完成相互作用的。
这里重点来讲强力,也称强相互作用,体现在微观世界,主要作用在核子(质子中子)以及夸克与夸克之间。核子通过强相互作用结合在一起,形成原子核。而质子和中子都由三个夸克组成,夸克之间通过强相互作用结合在一起。
如何结合在一起的呢?通过胶子结合在一起。
按照标准粒子模型,基本粒子可分为两种,分别是:费米子和玻色子。平时我们所讲的微观粒子就是费米子,比如说电子夸克等。而玻色子是把费米子结合起来的粒子,就像胶水那样把费米子粘结起来。打个比方,费米子是砖头,玻色子就是水泥。
胶子具有不同的色荷,可以改变夸克的色荷属性,夸克之间通过不断把胶子“丢来丢去”的方式传递能量,这种能量牢牢地把夸克束缚在一起,形成中子或者质子。而中子和质子同样也是通过强相互作用结合一起的。
原子是由原子核和核外电子组成的,由于电子质量相对原子核实在太小了,这里暂且忽略不计。
原子核的质量等于质子加上中子质量,而中子和质子都是由三个夸克组成。按理说质子和中子的质量应该正好等于三个夸克的质量总和。
事实上并非如此。研究结果让科学家们大吃一惊:质子和中子的质量不但不等于三个夸克质量之和,而且相差很大,三个夸克的质量仅占质子质量的1%!
这太奇怪了,剩下99%的质量到底来自哪里?
爱因斯坦的质能方程给出了答案。虽然胶子的静质量为零,但胶子在传递强相互作用时会形成很强的能量,这种能量又可以体现为质量,正是那99%质量的来源。
但问题还没有结束,夸克的1%质量又是从哪里来的呢?
是时候该希格斯玻色子登场了,也就是希格斯机制。
希格斯机制认为,宇宙中充满了希格斯场,就像海洋一样弥漫整个宇宙。夸克和电子的费米子在宇宙中穿梭的时候,就会受到“海水”(希格斯场)的阻力,让夸克和电子具备像势能那样的能量,而能量就会表现出质量。
但是,希格斯机制并不会约束光子和胶子这样的粒子,因为光子和胶子可以无拘无束地在宇宙中任何穿梭,它们也不会获得静质量。
希格斯机制一开始只是猜测,科学需要证明希格斯机制确实存在,最重要的就是找到希格斯粒子,一种希格斯场受到扰动而产生的粒子。只有找到了希格斯粒子,才能验证希格斯机制。
通过不懈努力,科学家们终于在2012年找到了希格斯粒子,也就是上帝粒子。
希格斯粒子,就是万物的质量之源,因此也被称为“上帝粒子”。正是希格斯粒子赋予了基本粒子以质量。当然希格斯粒子并不会与所有粒子都发生作用,比如说刚才所讲的光子和胶子等,完全“无视”希格斯粒子的存在,不会受到希格斯场的束缚,无拘无束地以光速自由飞行,根本不需要任何动力。
这就是我们宇宙的底层逻辑,万物本应该都以光速飞行,但恰恰是因为希格斯场的束缚和阻拦,本应该都以光速飞行的大多数粒子,都不得不减速。
当然,我们不能因为希格斯场的阻拦就“憎恨”它,而应该感谢它。因为如果没有希格斯场的阻拦,基本粒子就不可能慢下来结合起来形成宏观物体,宇宙会一直呈现一片“混沌”状态,各种基本粒子一刻不停地在以光速飞行,永远停不下来!
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