光子怎樣誕生,如何達到光速,到底有沒有質量?


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光子怎樣誕生,如何達到光速,到底有沒有質量?

常常有人對光速很疑惑:速度那麼快,是如何達到的呢?是慢慢越來越快,還是突然就那麼快呢?今天我們來討論一下這個問題,看看是不是能讓大家明白。

  • 光速是光子運動的本子屬性。

上世紀初葉,愛因斯坦就認識到光速是宇宙中物質運動的最快速度,並且以此為基礎,創立了狹義相對論和廣義相對論。因此真空光速是狹義相對論最重要的前提,沒有這個前提,就沒有狹義相對論;廣義相對論是在狹義相對論基礎上對宇宙更深入的理解,其基礎是引力場論,即有關引力導致時空彎曲的理論,光速依然是最重要的常量。

開始對光速以及有光速引導出來的相對論,很多人不理解也不相信,後來無數的觀測事實和實驗試驗驗證了愛因斯坦理論的精確性,科學家們信了,世界上越來越多的人相信了,從此狹義相對論和廣義相對論成為現代物理學的基石之一,另一塊基石是量子力學。

但是到了今天,還有許多人質疑光速和相對論。比如光為什麼能夠有這麼高的速度呢?它是如何達到的呢?這是很多人都想弄清楚的問題,覺得不弄清楚這個,似乎光速就依然是個謎。

其實這個問題異常簡單,答案就是一句話:光速是光子本身的基本屬性。要在進一步解釋的話,就是光線是由一堆光子組成,是由光子組成的能量流,而光速是光子的本子屬性,它一出生,就是這個速度,不需要“達到”。

  • 那麼光子為什麼一出生就是這個速度呢?

這是因為光子沒有靜止質量,因此它就靜不下來。這個世界上凡沒有靜止質量的物質,運動速度都是真空光速,比如引力波速度也是光速。真空光速的準確值為c=299792458m/s(米/秒)。這個速度可不是瞎子估水一擔兩桶猜出來的,而是經過科學家三百多年前赴後繼的測量得出的,後來為了得到一個整數值,又通過國際度量衡大會,修改了米的定義,將米(m)的長度定義為光在真空中運動1/299792458s的長度,這樣真空光速和米的尺度就相互印證,更為精準了。

光子沒有靜質量,但有能量和相對論質量。所謂相對論質量就是動質量,光子的能量遵循愛因斯坦質能方程,即E=mc^2=hv,由此可計算出光子動量為m=hv/c^2。這裡E為能量,m為光子質量上限,c為光速,h為普朗克常數,v為任意電磁波頻率。

光的波長越長,頻率越低,能量越小;反之,波長越短,頻率越高,能量越大。根據這個公式,我們可以計算出可見光中段500nm波長的綠光,其頻率約6*10^14Hz,光子動質量約為4.4*10^-36kg;而波長約3*10^-16m,頻率約10 ^24Hz的γ射線,光子動量則約為7.4*10^-27km。由此可見,光子的動質量是與能量成正比,與波長成反比的,也就是說波長越短,頻率越高,動質量越大。

  • 但光子的運動速度與能量無關,都是一樣的。

所有波段的電磁波都是以光子為媒介傳輸的,因此光就是電磁波。電磁波能量從低到高,由無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線等不同波段和頻率的波譜組成,可見光只在其中佔有大概在380~760nm之間這麼一小段,其餘的電磁波都是肉眼不可見,但通過各種設備儀器能夠偵測到的,也可把這些波段的電磁波稱為不可見光波。

這些不同能量的電磁波,其運動速度是一樣的,如我們點一支蠟燭發出的光,太陽發出的光,還有看不見的X光、γ光,速度都是一樣的,每秒約30萬千米。只是頻率不一樣,動質量也不一樣。頻率越高由於能量越強,動質量越大,對人體等生物的傷害就越大,這就是X射線和γ射線很厲害的緣故。

  • 光子是如何產生的?

光是電磁波,組成電磁波的是光子流。在量子力學裡面,光子既是一粒一粒的微小粒子,又是聲波一樣的波,具有波動性,因此具有波粒二象性。光子的粒子性通過光電效應得到證明;而其波動性通過光子衍射得到證明。

根據麥克斯韋電磁場理論,光子是電磁場激發出來的。任何原子的外圍都有電子,這些電子可以處在不同的能級。當電子得到受到一定能量激發,就會躍遷到更高能級。但這種跳出自己能級的運動有點像人們離開了家,在外漂泊感到不安全也不穩定,於是就總想著回家。作為電子來說,就是回到自己的低能級,從高到低也叫躍遷。要做到這一點,就像人們回家要買車票一樣,電子就要釋放出一個光子。

當大量的電子做這種運動時,就像春節前後的春運,來來回回就釋放出很多光子。這些光子一出生,由於沒有靜質量,就停不下來,以每秒約3萬千米的速度狂奔,如果沒有阻擋,它們就一直奔下去。光子有個特點,它們奔跑起來目不旁視,勇往直前,即便再濃密的光子,也相互不會影響。只有路途遇到電子阻擋碰撞時,才會相互發生作用,光就會衰減。

太陽光、星光、白熾燈光、日光燈光、LED燈光、燭光、X光、γ光、無線電、微波、紅外形、紫外線等等,所有看得見和看不見的光,也就是電磁波,都是這樣發出來的。

結論:光是由光子組成的能量流,具有波粒二象性,光子沒有靜止質量,也就是無法靜止下來,因此一出生就是以光速前行。光的行進路線是直線,不會拐彎,但會被其他帶電物質反射、折射、衍射、吸收。

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