互联网上不乏关于物理论题的热烈讨论,今天,让我们共同探讨其中之一。
光子的奇妙之处在于,它无需外力推动,刚一形成便以光速驰骋。这源于光子的独特性质——零静质量。这个性质是诸多基本物理理论的基础,例如库伦定律的平方反比规则、麦克斯韦方程组、电磁场的拉格朗日量等。如果光子的静质量非零,则上述理论将不复存在,现代物理学以及建立其上的量子力学将不得不进行全面重建。
爱因斯坦基于质能方程E=MC平方和光量子能量公式,粗略估算了光子的动质量上限,表达如下:
在这个公式中,m表示光子的动质量上限,h代表普朗克常数,v是任意电磁波的频率,c则是光的速度。
通过这个等式,我们可以得出光子动质量的上限约是5.74乘以10的负50次方千克。罗俊教授领导的科研团队,来自中国武汉的华中科技大学,他们进行了一项研究,名为“用精密扭秤检验光子静止质量的上限”,其成果将光子的质量上限更新为10的负48次方千克,获得了全球科学界的公认,将原有的上限值提高了两个数量级。
然而,上述研究仅涉及光子的动质量。至于光子静质量严格为零的假设,至今未被任何人成功反驳,因此在科学领域中,这一命题仍旧被视为不可触碰的红线。
关于光子的诞生与终结。我们要记住,光子是电磁波传递的载体,换言之,电磁波即光波。但我们对光的理解不应局限于肉眼可见的光,事实上,可见光仅占电磁波谱中极窄的一部分,波长介于380nm至760nm之间,频率则在380至750THz的范围内。电磁波谱还包括无线电波、红外线、紫外线、X射线以及γ射线,它们全都是光的不同表现形式,波长范围从千米到皮米,频率则从几Hz跨越到数万亿亿Hz,区别仅在于我们能否目视到它们。
光子的产生涉及微观世界的活动,主要有两种途径:其一是正反粒子相撞并湮灭,产生耀眼光芒的同时生成光子;其二是电子吸收能量后跃迁至激发态,为归稳态又会释放一个光子。无论是核聚变、火光还是灯光,我们所见的光子皆由此产生,这些肉眼可见或不可见的光共同构成了我们身处的宇宙电磁波海洋。那么,光子会消亡吗?若它们消失即意味着死亡,那么这种“死亡”每天都在上演——我们看到阳光洒向大地,然后消失不见,似乎是消亡了。然而,它们并没有真正逝去,而是转化了形式。
当电子吸收光子发生能量跃迁,原光子不复存在,但电子为达到稳定状态会释放新的光子;此外,光子还可能与物质进行能量交换,转化成分子动能,产生热量——似乎是被物质“吞噬”,转化为能量。
为何光子一诞生便拥有光速?这便是其基本属性,它天生如此。任何有质量的物体运动都需要消耗能量,速度越快,所需能量越多,这些能量作用于物质上使其动质量增加。因此,任何有质量的物体,如电子,其速度都有上限,无法触及光速。
这是因为它们受到质速关系的制约,质速关系可由下式表达:
其中m0表示物质的运动质量,m代表其静质量,v为运动速度,c为光速。根据此公式,当具有静质量的物体速度接近光速时,其动质量将趋于无穷大。然而,光子因无静质量,其速度不需能量便可达到,不受能量大小影响。但能量大小可以影响光子以波长和频率的形式呈现,能量越大,波长越短,频率越高。因此,光子自诞生起便拥有光速,无需“推动力”或所谓“瞬间加速”。
当然,我们所指的光速约为30万公里/秒,是指在真空中的速度。在不同介质中,光速会有所不同,例如冰中为每秒2.30×10的8次方米,水中为每秒2.25×10的8次方米,酒精中为每秒2.2×10的8次方米,玻璃中为每秒2.0×10的8次方米等。
光子的速度也能放缓。
不仅在不同介质中可以减缓光速,还可以通过降低温度来实现。虽然宇宙空间的低温不足以影响光速,但在实验室创造的极低温度下,物质会进入波色-爱因斯坦凝聚态,这是物质除气态、液态、固态、等离子态外的第五态,拥有超流体和超导性质,电阻几乎消失,光速似乎也会被“冻僵”。
1999年,丹麦科学家莱娜领导的研究小组成功将光速降至17米每秒,2001年甚至实现了光的完全静止。
以上是对光子特性的探讨,从其无须动力的光速到动静质量的特殊性质,再到速度减缓的可能性,无不揭示了光子的神秘和复杂。