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光每秒能跑30万公里,它的动力来自哪儿?

2020-09-08    
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像光子这种没有静止质量的东西,一生下来就只能以光速运动,更不需要外力来维持。

 

光和光速

 

光本质上就是电磁波,具有波粒二象性,既可以看作粒子,又可以看作波。狭义上的光是指可见光,仅占电磁波谱上很小的一段,而广义上的光包括红外光、紫外光、可见光、X光等。

光每秒能跑30万公里,它的动力来自哪儿?

 

 

物体是由原子组成的,物体发光自然源自微观层面。当原子内部的电子吸收能量后,便会跃升到高能级。高能级并不稳定,由高能级掉落到低能级,电子便会向外辐射出一定频率的光子。当然,产生光子的方式不止一种,核反应也能产生光子。

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丹麦天文学家奥勒·罗默通过观察木星的卫星,认识到光的传播速度是有限的,并初步估计了光速。伽利略尝试精确测量光速,不过以失败告终。在19世纪,法国物理学家菲索发明了一套旋转齿轮装置,并用该装置测出光速为31.5万公里每秒,这已经比较接近现代测量值了。而光速的精确测量,则是麦克斯韦方程提出之后的事了。

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科学研究表明,真空中的光速是宇宙中最快的速度,每秒钟能够跑30万千米,精确值为299792458米每秒。通常我们所说的光速就是指真空中的光速。

 

力和运动的关系

 

真空中基本上空无一物,光在真空中传播,不会遇到阻力,故而可以一直保持这个速度不变,不需要外界维持动力。除非被其他物质吸收,否则将永远以光速运动下去。

 

这一点在经典力学中就能找到解释。根据牛顿第一定律也就是惯性定律,如果没有外力作用,物体将一直保持静止或者匀速直线运动状态。也就是只要没有阻力,不需要提供动力,物体就能够永远以恒定的速度运动下去。力只能改变物体的运动状态(运动速度或者运动方向)。

 

当光在介质中传播时,会与介质发生相互作用,速度必然会减慢,而当光脱离介质时,速度又会立马恢复到光速。具体的原理就不细说了。

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为啥光子一出生就能跑这么快?

 

光子和自然界中的其他物质有所不同,光子没有静止质量(物质的内禀质量),就是纯能量的载体。宇宙中的所有物质都处于运动状态,而光子质量为0,自诞生起便只能以光速运动,这是光子的固有属性。因此牛顿第二定律并不适合这个场景。

 

现代物理学表明,物质之所以具有质量,是因为真空中充满了希格斯场,这些粒子能够通过希格斯机制,与真空中的希格斯场发生作用,继而携带静止质量。科学家此前预言的由希格斯场激发出的希格斯粒子,也已经在高能粒子加速器中找到了。

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光子属于传播子,或者传递电磁相互作用,但光子并不会与真空中的希格斯场发生作用,因此光没有静止质量。

 

根据相对论,任何有质量的物体的速度都不可能达到或者超过光速。对于质量不为0的物体,随着该物体的运动速度不断增加,质量会呈指数式暴涨,接近光速时,质量将会变得无穷大。想要将物体的速度加速到光速,也就需要无穷多的能量,因此物体的运动速度只能无限接近于光速。

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不过根据质能方程,可以认为光子拥有动质量。因为光子具有一定能量,可以换算成对应的质量。

 

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