先说答案:光子并不需要任何动力融券通,因为它一出生就以光速飞行,并且没有任何加速过程。
为什么会这样?
因为光子没有静质量,或者说光子的静质量必须是零。毫不夸张地讲,如今的物理学大厦就是建立在“光子静质量为零”的基础上,如果光子的静质量不为零,意味着现代物理学大厦将轰然倒塌,所有的物理学理论几乎都会被推翻,比如说麦克斯韦方程组,库仑定律等等。
虽然光子没有静质量,但光子有动质量。根据爱因斯坦提出的质能方程E=MC平方,还有光子能量计算公式E=hv,可以计算出光子的静质量。这里的h为普朗克常数,v代表电磁波的频率,c为光速。
计算出来的光子的动质量很小,大约只有10的-50次方千克量级。随着现代测量仪器精度的不断提升,来自我国的华中科技大学教授率领自己的团队,测量出光子质量的上限,大约为10的-48次方千克。
有人可能会问,光子的静质量为什么是零?你可以理解为这就是一个假设,或者说是公理,是符合观测和实验结果的,而且至今都没有被证伪。
下面具体讲述一下光子的“一生”。
按照麦克斯韦电磁理论,光属于电磁波,同时光子是电磁波的传播媒介,也就是说电磁波依靠光子来传递能量。
而电磁波的范围是很广的,平时我们所讲的光通常是指可见光融券通,而可见光只是电磁波谱中非常狭窄的一小部分,波长大约在380到760纳米之间。
而电磁波谱包含很多波段的电磁波,除了可见光之外,还有无线电波,微波,红外线,紫外线,X射线和伽马射线等,这些波段的波长最长可以达到上千米,最短只有几皮米。
而我们通常所见的可见光波长介于红外线与紫外线之间。
那么,光子到底是如何产生的呢?主要有两种方式。
第一,通过正反物质的湮灭。比如说电子与正电子相遇会发生湮灭,然后转换为纯能量,以光子的形式向外辐射。
第二,电子跃迁。当电子从高能级跃迁到低能级时,就会释放出光子。低能级,就是所谓的基态,而高能级就是激发态。而基态是最稳定的状态,因此,电子在吸收外部能量跃迁到高能级之后,通常会自发地发生跃迁,释放出光子然后跃迁到低能级,也就是基态。
第一种方式在我们现实中并不常见,通常只会出现在实验室中,科学家们可以通过大型粒子对撞机制造出少量反物质。现实中我们接收到的光,基本上都是通过电子跃迁释放出来的。
实际上,我们的宇宙里充满了光,当然不是狭义上的可见光,而是包含所有波段的电磁波。这些光会死亡吗?
并不会融券通,它们一直存在。当光子被物体吸收之后,就消失了。但消失的光子并没有真正死去,当环境发生变化之后,光子还会释放出来。
刚才也讲了,电子总是有跃迁到基态的趋势,在跃迁的过程中就会释放出光子。光子不仅会让电子发生跃迁,还会与其他物质进行能量交换,变成各种形式的能量,比如说动能,在这个过程中让物体升温。
实际上,光子本身也就是一种能量,与其他能量的交换也太正常不过了。
光子就是如此特殊,由于它没有静质量,所以一出生就以光速飞行,而且必须以光速飞行。其他任何具有静质量的物体,不管质量多小,都不可能以光速飞行。
具有静质量的物体,速度越大,继续加速的话就需要越大的能量。而所有的能量实际上都会转换为物体的质量,意味着物体的质量会越来越大,如果想继续加速的话就需要更多的能量。当物体的速度无限接近光速时,动质量趋于无限大,想要再加速就需要无穷多的能量,整个宇宙的能量都不够用,显然这是不可能的。
物体的速度与质量之间的关系实际上就是著名的质增公式,也是爱因斯坦狭义相对论中非常重要的公式之一。公式中的m为动质量,小写m0为静质量。
由于光子没有静质量,所以它不需要任何能量就能以光速飞行,而且瞬间达到光速。刚才讲了,光本身就是能量,不同频率的光,能量大小也是不同的。频率越高,能量就越大,波长越短。
光速每秒30万公里,指的是光在真空中的速度。在不同的介质中,光的速度是不一样的,比如说在水里,光的速度只有真空中速度的四分之三左右。
我们经常见到的物质形态有三种:气态,液态和固态,第四种形态等离子态并不太常见,太阳核心就是等离子态。实际上物质还有第五种形态,那就是玻色-爱因斯坦凝聚态,它是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态。
玻色-爱因斯坦凝聚态是一种相当奇特的物质状态,在这种状态下,物质会呈现超流体和超导性质。更不可思议的是,连光子似乎也被冻结了。
比如说,在1999年,丹麦物理学家曾经做过实验,在极低的温度下,非常接近绝对零度,利用超流体将一束光的速度成功降至每秒17米,远远低于真空中每秒30万公里的速度。
理论上分析,如果温度达到绝对零度,那么光子就会达到绝对静止的状态。更严谨来讲,绝对零度下,光会消失。实际上不仅仅是光,万物都会消失。而现有大自然法则下,是不可能达到绝对零度的,那是一个无法逾越的鸿沟,就像光速那样,只能无限接近,但无论如何都达不到。
实际上,对于“光速”的理解,很多人有一种惯性思维,认为光速就是指“光的速度”,上面对光速的分析其实也是在分析光的速度。
实际上光速严格来讲并不是指“光的速度”,而是信息传播的速度,或者说因果律的速度,只是光子的速度也正好是光速,所以人们一开始就用默认光速就是光子的速度,而作为普通吃瓜群众来讲,也自然会默认光速就是指光的速度。
其实能以光速飞行的绝不只有光子,还有胶子,引力波等,任何静质量为零的物体速度都是光速,同时信息的传递速度也是光速。
而所谓的光速限制,严格来讲是因果律的速度限制,往深了讲就是四维时空下的速度限制。说白了,光速以及光速限制是四维时空的固有属性,我们可以认为光子的传递是需要介质的,只是这个介质并不是普通物质,而是四维时空本身。
实际上这也是为什么“光速不变”的原因所在,因为光子的参照物是四维时空本身,与其他任何物质都没有关系。
完!
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