我们都知道光速是能量和信息传递的速度上限,一般来说,宇宙中不存在比光速还快的事物(宇宙膨胀什么的不算,因为二者不是一码事),疑问就来了,为什么光的速度这么快呢?它的初始动力是什么?
关于这个问题,实际上光的传播并不需要动力,也就是说光子在诞生的那一刻,就注定了速度为光速,不存在速度由零逐步递增的过程,其原因正是因为光子不具备静止质量,因此它的速度生来就是光速,真空光速每秒大约30万公里。
既然刚才提到了静止质量,那是不是还有运动质量一说?
没错,确实有运动质量一说,在相对论发展早期,运动质量这一概念流传得十分广泛,那么什么是运动质量呢?简单来说,我们都知道狭义相对论中有一个质量增加效应,其公式如下图
其中等式左边代表的就是运动质量,这个公式的代表的含义就是物体的质量随着运动速度的增加而不断变大,当速度无限接近光速时,物体的质量就趋向于无穷,而这个变化的质量指的就是运动质量(因为运动而导致质量变化,很形象)。
然而后来由于相对论的发展,以爱因斯坦本人为代表,则表示应该删去运动质量这一概念,因为在后来广义相对论所涉及的数学框架以及物理意义下,运动质量已经没有存在的必要,而且还容易让人混淆,比方说很多人都会自然的认为,运动质量可以反映惯性,但实际上反映惯性的只有静止质量。
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为什么光的速度会这么快?光的动力是什么?
很早之前,人类就试图去测量光的速度。但由于光速太快了,快到人们认为是无限的。随着观测和实验的进步,天文学家罗默最早测出了光速,首次确定光速是有限的。此后,实验精度变得越来越高,光速也测得越来越准,其大小约为30万公里/秒。
在爱因斯坦创立相对论之后,人们才进一步知道,光速真的非常快,因为这个速度是宇宙中的局域速度上限,没有任何速度能够超过它。而且光速还十分特殊,光只能以光速传播。更为特别的是,无论是哪个参照系中的观测者,所测得的光速都是完全相等的。
基于相对论的光速不变原理以及人类对光速的高精度测量,物理学家决定在没有对目前物理量大小产生可测影响的情况下,把光速的大小定义为299792458米/秒。这样,人类再也不用为精确测量光速而苦恼,而且还能解决用于定义米的米原器存在误差的问题。
无论是电子跃迁,还是核聚变、核裂变反应,或者是正反物质湮灭,这些过程都会产生光。一旦光产生之后,它们的速度就会瞬间达到光速,而且始终会以这个速度传播。如果光没有被物质吸收,它们不会在宇宙中消散掉,而且速度始终保持光速。例如,宇宙在138亿年前产生的第一批光子如今还在,它们还以光速在宇宙中穿行。
那么,光是怎么达到光速?光又是如何保持光速?驱使光前进的动力是什么?
光的粒子性
如果从光的粒子性角度来解释,光是由无静止质量的光子组成。根据狭义相对论,既然光子的静质量为零,它们的速度只能是光速。根据粒子物理标准模型的希格斯机制,没有静质量的光子在穿过遍布宇宙的希格斯场时,光子不会发生耦合作用,所以它们不会获得静质量,速度也不会从光速降下来。
光子一旦被制造出来,它们的速度就会直接达到光速,没有从零到光速的加速过程。光子的传播不需要能量来驱动,如果没有被物质或者黑洞吸收,它们始终会以光速在真空中无限传播下去。
光的波动性
另一方面,如果从光的波动性来解释,光的本质是电磁波。麦克斯韦电磁场方程组表明,电和磁在本质上是统一的,变化的电场会激发出磁场,变化的磁场又会激发出电场,如此反复,就产生了电磁波。
由于电磁场以光速建立起来,所以电磁波会以光速传播。电磁场的产生和存在没有借助于介质,所以光可以在真空中以光速传播。虽然随着空间结构的持续膨胀,在空间中传播的光会出现红移,但它们不会完全消失在宇宙中。
光速为什么可以这么快?它的动力源是什么?
简单来说,光子能够始终保持光速运动,其原因在于光子没有静止质量。自光子产生那一刻起,它们就会以光速运动,没有加速过程,也无需动力源。狭义相对论表明,静止质量不为零的物体不能以光速运动,只能无限趋于光速。这是因为一旦这些物体的速度无限趋于光速,它们的动能将会增加到无穷大,所以它们是无法进一步加速到光速。
不同于普通物体,光子的静止质量为零,它们就必须以光速运动,不需要任何动力源。要说为什么,这可能就是宇宙的基本法则。
从粒子物理标准模型来看,绝大部分物体都会与希格斯场场发生相互作用。由于弱超电荷交换,这种与希格斯场的相互作用会“减慢”任何有静止质量的物体。事实上,正是这种被称为希格斯机制的现象,赋予了物体的质量。而光子与希格斯场的相互作用方式与其他有静止质量的粒子不同,光子不会“减速”,它们在真空中始终会以光速运动。
或者我们可以从电磁波角度来了解一下光。光的行为会表现出波粒二象性,光其实是电磁波,由交变的电磁场激发所产生,其传播速度即为光速。
正因为如此,光才可以跨过茫茫空间,从宇宙的各处到达地球。即便是138亿年前的宇宙第一缕光,如今仍然还以光速在宇宙中传播。
光的出生速度就是这么快,每秒30万公里,其实光子也不想,但它只是没有停下来的能量,因为光子没有质量。
我想你的问题可能是:光是如何产生的?
当一个物体在吸收能量时,如果已经“吃饱”,这个时候它无法吸收的能量就会以另一种能量释放出来,光就是其中之一。
就像你在加热一块木头时,木头越来越热,越来越热,当木头无法再吸收热量的时候,呼地一声,火苗产生了。
接着你可能要问,这个过程到底是啥样的?
我们知道当像原子、离子或分子外围都有电子存在,在未吸收能量前,这个电子一直围绕着粒子旋转。
但,每一刻电子都有一颗“回家”的心。
当你开始给它加热的时候,这时候粒子获得了能量,它觉得自己更强了,于是向前一步,跃迁到了另一个更接近中心的能量轨道上,这个过程中,电子就会把多余的能量释放出来,这时候光子就产生了,并“撞见鬼”一般,以每秒30万公里极速逃亡。
那为什么光速是一定是这个速度,而不是48万、58万呢?
其实,这是一个逻辑悖论问题。
实际上,光速和时间在某种意义上是同一个东西。光子一秒30万公里,如果只跑了15万,那么其实不是光子变慢了,而是时间相对地球时间快了一倍。如果测量到光速降低到0,那你的时间甚至相对地球时间开始倒流了,此时,你就是光速了。
所以,你看光速超过或低于30万公里,就会引发时间和逻辑的絮乱。
这就是光速永远恒定的原因!
题主能问出这样的答案是陷入到思维误区了。因为在日常生活中,一个物体的运动势必需要动力来源。
早在2000多年前的古希腊时期,亚里士多德就认为物质之所以运动是由于力的作用。可是两千年后。牛顿惯性定律告诉我们:力只是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动的原因。
物体不受力也可以匀速直线运动。
科学第一次颠覆了人们的三观。可随着科学的深入发展,人类开始研究微观世界,量子力学颠覆三观就相当牛顿颠覆亚里士多德一样。量子力学的规律也不遵守宏观世界的规律。
光子是由电子辐射出的能量转变而来的。这种能量用质能方程来解释是可以转换为质量的,这就是光子的运动质量。
电子可以在原子中,这时候叫核外电子。也可以在原子外,这时候叫自由电子。电子是带负电的电荷,电荷的运动就是电流。变化的电流会导致电磁场的激发。也就是电子释放能量,
电子释放能量的过程可不是连续的。是一份一份进行的,每一份能量可以转变成质量,变成物质,这种物种就是光子。
光子的速度直接就是光速,没有从0开始渐变成光速的过渡过程。释放能量,能量直接变成以光速运动的光子。
这很违背常识,但在微观世界很正常。毕竟量子纠缠,量子叠加状态都是量子力学违背常识的地方。
正如玻尔说的那样,第一次接触量子力学没有被困惑,那么他一定是没听懂。
因为光子没有静止质量,所以它不需要加速。你可以发现,任何需要加速的物体,它都是具备静止质量的(静止质量也就是咱们平时常说的质量,或者是牛顿力学中的质量)。
虽然这有些不可思议,但实际确实是这样,这也是为什么再强大的粒子加速器都不能将一个粒子加速到光速的原因,因为粒子具备静止质量,而通过狭义相对论的质速公式,我们发现当一个具备静止质量的粒子,在接近光速时,它的质量会趋向于无穷,而无穷大的质量则需要无穷多的能量来进一步提速,显然宇宙中的能量是有限的(无限的也没事,反正都得把整个宇宙吞了才行)
而光子的能量也是一份一份的,从一出生就瞬间有了光速,且携带一份能量(E=hv,h是常数,v是频率)。至少在目前来看,微观世界确实就是这么运行的,虽然它与宏观世界差异很大。
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光,每秒30万公里。从理论上讲,光速应该是指可见光部分的光。如果是不可见的埃克斯光、贝塔光、伽马光等,其光速就应该有所不同了。
不管是什么光,它们所拥有的高速度,都是微观基本粒子在受到某种激发源的激发而高速运动起来的。
光是一种最基本粒子。如果把它说成是电子,可能有90%以上的人不会同意。但是有一点必须承认,光的媒介物一定是某种微观粒子。否则,光介物怎么能被激发运动起来呢?
光媒是一种基本粒子。曾有科学大师也这样认为:大意是:“光是由一份一份的颗粒物组成的”。这里的一份一份,就是一个个颗粒物基本粒子。这个基本粒子是一种兼有质量(如光子静止下来的一个电子质量)、有动能(如能量或温暖感)、有磁矩(如磁极间距)、有正负极性(如磁铁两极)、能被磁化(如磁场)、能自旋(如光谱)、有被物体反射(如普通光)、能穿透物体(如磁力线),能推动或激发物体内自由电子运动(如光电效应)、能被激发出高速直线运动的等一系列运动特征的粒子。 光,受到物体阻挡时还会因动能抵消而静止下来,最终成为物体上的静电子、物体内的自由电子以及原子核的核外电子。不过,静止下来的光电子,就不能再称它为光了。
在做出光是什么之铺垫的前提下,再探讨一下光为什么可以这么快以及它的动力源是什么?
电子本身是有极性的,在自然界。比如是高温环境下的铁原子,在构成铁分子时,两个以上的铁原子以失去最外层上的各两个电子为代价,构成金属键。铁原子,它们在受到环境能量作用时逐步吸收能量(外来电子撞击动能),原子核体积发生微观膨胀,核正电荷吸引力出现下降,最外层上的两个电子摆脱原子核束缚,随即电子由高速绕核旋转运动,立即改变自己的行进方向和自旋状态,以直线运动形式成为光或电磁波。此时的铁原子已经成为了铁“离子”。离子与离子之间的距离缩小,两个或多个铁离子的外部能道出现重叠。在停止外部能量作用后,离子之间互为对方反电荷,即每个离子都将自己作为正电荷,视对方为负电荷(离子也有极性)。从而构成金属离子键。这里值得说明的是: 物质的电荷本没有正负之分,只有物质极性之分和物质多少所带来的电荷数量多少之分。比如,两个同样是负电荷的电子,它们同样能够用电荷的异性结合在一块。
上面这个例子告诉我们,化学反应过程中,当核外电子失去原子核吸引力作用后,电子将以光速直线运动。大量的电子一块运动就构成了光或电磁波。所以,这里的光就是被原子抛弃(失去电荷吸引力)的电子。这个本来就运动着的电子,在被抛弃的一刹那,也就成为了光的动力源。
其实,光的动力源是多种多样的。主要包括:宇宙大爆炸激发、大质量天体坍缩激发、天体相撞激发、太阳内部摩擦能量激发、核反应激发、化学反应时的放能和吸能激发、云地之间的放电激发、磁力线推动线圈内自由电子运动的激发、电灯钨丝上放电的激发、电焊电流激发……等等。可谓光电子被激发无处不在。
物质世界,实乃电子运动的世界。可以这么说,大凡物质运动,都是由某种激发源所激发出来的。光也不例外。
光子一旦产生,速度就是光速,根本就没有道理可言,这就是我们的宇宙最基本的规律之一。就连爱因斯坦都只能把光子不变定理直接拿过来当成相对论的大前提,而无法去证明为什么光子速度那么快。
光速就是我们的一个宇宙常数,如果非要给光速找一个为什么的话,那就是我们宇宙特性决定的,也可以说是诞生我们的奇点的初始性质决定的。就像是鱼缸里的水总是那么多,鱼很好奇为什么。当它有一天被放在另外一个很大的鱼缸里的时候,才发现原来鱼缸里的水可以再多点的。鱼缸的大小决定缸里水的多少,不同的鱼缸可以可以装下不同多的水。我们的宇宙也是,奇点的性质决定了爆炸之后我们的宇宙光速就这么大,30万千米每秒,不多也不少。当然,如果还有别的不同奇点爆炸,它们产生的宇宙中光速可能会更快点或者更小点。身在宇宙中的我们无法理解奇点的那种性质决定了光速的大小,就像时候缸中的鱼无法理解鱼缸如何决定了缸中水量一样。只有跳出宇宙,站在高维才能够全面了解奇点,了解为何奇点决定了光速。
至于说光子的动力来自哪里,那就是来自于产生光子的初始能量,即hv(h是普朗克常数,v是频率)。因为光子没有静质量,所以这份能量全部转化成了光子的动能,让光子保持光速前进。
光速生来就是这么快,不需要原因,可以说它是宇宙的常数,光子的静止质量没有,因为它静止不下来。虽然光线在经过不同介质时,速度会有所下降,但只要重新回到正常状态,光速还是光速。(光在金刚石中传播速度仅有真空中速度的一半。)
光为什么这么“快”,其实并不快,太阳光到达地球这里还需要8分20秒呢,即便是我们看到的月亮也只是一秒前的月亮,而光从银河系一端跑向另一端,则需要十万多年。这难道很快吗?
光子的动力源是什么?
当电子从高能级跑到低能级时,会向外界辐射光子;反粒子与粒子进行湮灭时也会产生光子。
答:光一经诞生就以光速运行,光子的静止质量为零;光子只要不被吸收就永远停不下来,而且光子的寿命几乎是无限长的。
光子可以由处于激发态的电子跌落到更低能级时产生,两个能级之间的能量差就是激发光子携带的能量;光子没有加速过程,一经产生就以光速运行,光子运动并不需要动力,只有光子在产生时需要提供能量。
单个光子的能量和光子的频率有关,可以由量子力学给出E=hν,结合相对论质能方程E=mc^2,就可以得到光子的等效相对论质量:
m=hν/c^2;
光子没有静止质量,因为倘若光子有静止质量的话,相对论质增效应将会使单个光子的能量无限大,这显然是不对的。
而且科学家已经用实验证明了这点,比如在2003年,就有中国的科学家,测量了光子的静止质量上限,实验表明光子静止质量不会超过10^-54kg,这个结果基本上可以确信光子的静止质量为零。
需要说明的是,光在介质中的传播速度比真空中慢,原因是光和介质中的粒子(尤其是电子)发生相互作用,使光传播的光程长了,所以宏观现象就是光的传播速度变慢,但本质上光子的速度并未减慢。
从两个角度来回答。一是按麦克斯韦电磁学理论。光是一种电磁波,其变化的电磁场互相垂直,并与电磁波的传播方向垂直。后来的实验证明电磁场的能量(电磁波)以光速向外传播。所以光的传播原动力是变化的电磁场
二是光子。光子是量子力学的范畴。光量子,简称光子,是传递电磁相互作用的基本粒子,是一种规范玻色子,在1905年由爱因斯坦提出。光子是电磁辐射的载体,而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。光子静止质量为零。光子以光速运动,并具有能量、动量、质量。
光子具有能量,也具有动量,更具有质量,按照质能方程,E=mc∧2=hγ得m=hγ/c∧2
(E为一个光子的能量,h为普朗先常数,γ为光的频频,c为光速,m为光子质量)
光子由于无法静止,所以它没有静止质量,这儿的质量是光子的相对论质量。
光速是宇宙中最快的速度,这无可辩驳,一切有静质量的物体,无论怎么加速,永远也到不了光速,因为当无限接近光速的时候,再加速将会需要无尽的能量。但是为什么光为什么能够跑的这么快呢?
非要说为什么,我也说不清楚,反正是光从一出生就是这么快的速度,它不会减速,更不会停下来, 可以说光速是宇宙中的常数,就像万有引力常数一样,自宇宙创生之初就已经被定义好了的。
光是一种奇怪的物质, 历史 上人们关于光是粒子还是波的争论持续了几百年。最先由牛顿提出光是粒子的学说,被人们奉为真理信仰了一百多年,但是后来托马斯·杨做的双缝干涉实验等于是直接给粒子说判了死刑。人们又认为光是一种波,但是奇怪的是人们又发现光传播好像是不需要任何介质的,这与传统的波的定义不符, 人们又试图捏造一种无法被观测到的物质以太,以太作为光的介质充满整个宇宙空间的任何地方。 后来迈克尔逊等人试图验证以太是否存在,以太没发现,倒是发现了光速不变原理。
后来,人们终究还是搞不清楚光到底是粒子还是波,又因为发现了光不仅具有粒子性,比如光电效应,又具有波的性质,比如衍射和偏振, 于是就只好说光具有波粒二象性,光既有粒子性又有波动性 。爱因斯坦基于量子论提出了光子说,成功解释了光电效应,又创立了相对论,根据相对论计算,结合质能方程式,可以得出光子的相对论质量是m=hν/c^2, 光子的质量与其频率有关,如果光子停止运动了,那么光子将不会再具有质量 ,这也就是为什么说光子没有静止质量。
另外有一点需要说明的就是光在不同介质中的传播速度是不一样的, 在真空中传播的速度最快,而在金刚石中的传播速度只有真空中的一半。 光速不变原理是相对论成立的前提,根据相对论也可以得出光子没有静止质量的结论,或许不妨理解为光子的能量来自于宇宙创生之初,光子没有静质量,所以它可以把能量全部转化为动能,让光子保持光速前进。
光的能量来源可谓是多种多样的,宇宙大爆炸时会产生无数的光子;电灯钨丝放电时,会激发产生光子;在原子的核外电子从低能级向高能级跃迁的时候,会吸收光子,而从高能级向低能级跃迁的时候,则会放出光子。产生光的方式是有很多种的,反正总有某种方式使得能量转化为光,而且是在能量守恒的前提下进行的。