光子憑什么達到光速，是否需要動力驅(qū)動，有辦法減慢嗎？

網(wǎng)絡(luò)上?？吹街T如此類的問題，今天我們一起來討論一下。

光子無須“動力”催動，它一出生就是光速。因為光子沒有靜止質(zhì)量，也就是其靜止質(zhì)量必須嚴格為零。現(xiàn)代很多最重要的物理理論都是建立在這樣一個假設(shè)上的，比如庫倫定律的平方反比定律、麥克斯韋方程組和電磁場的拉格朗日量等，如果光子靜止質(zhì)量不為零，這些理論都將被推倒，而以這些理論為基礎(chǔ)的幾乎所有現(xiàn)代物理學(xué)和量子力學(xué)理論就要重建。

愛因斯坦根據(jù)質(zhì)能方程E=MC^2和光量子能量公式，粗略推導(dǎo)出光子動質(zhì)量上限，其表達式為：m=hv/c^2。式中，m代表光子動質(zhì)量上限，h為普朗克常量，v代表任意電磁波頻率，c為光速。

根據(jù)這個公式，可計算出光子動質(zhì)量上限約為5.74x10^-50kg。中國武漢華中科技大學(xué)教授羅俊領(lǐng)導(dǎo)科研團隊，進行了一個“用精密扭秤檢驗光子靜止質(zhì)量的上限”的研究，得出新的光子質(zhì)量上限為10^-48kg的成果，這個成果得到世界科學(xué)界的承認，在過去光量子質(zhì)量上限基礎(chǔ)上提升了2個數(shù)量級。

但這些這只是對光子動質(zhì)量的研究，而靜質(zhì)量嚴格為零的假設(shè)迄今沒有人能夠證偽，因此光子靜質(zhì)量為零的假設(shè)依然是科學(xué)界奉行的禁區(qū)和杠杠。

光子的出生和死亡。首先我們要記住，光子是電磁波傳遞的媒介，也可以說電磁波就是光波。因此不要把光理解為單純我們?nèi)搜劭梢姷墓猓梢姽庵皇请姶挪ㄗV里面一個很窄的頻段，波長約在380nm~760nm之間，頻率約在380~750THz范圍；而整個電磁波譜頻段還包括無線電波、紅外線、紫外線、X射線、γ射線，這些都是光的形式，波長涵蓋千米級到皮米級，頻率涵蓋幾個Hz到數(shù)萬億億Hz，只不過是肉眼不可見的光而已。

光子的產(chǎn)生過程是微觀世界的運動，有兩個方式：一是正反粒子湮滅，會發(fā)出耀眼的光芒，這就是產(chǎn)生了光子；二是電子吸收能量后會發(fā)生躍遷，從低能態(tài)到激發(fā)態(tài)，為了達到穩(wěn)定狀態(tài)，會回到基態(tài)，就會發(fā)出一個光子。

不管是核聚變還是火光、燈光，所有的光子都是這樣發(fā)出來的，這些看得見看不見的光，組成了我們充滿宇宙的電磁波。那么這些光子會死亡嗎？如果說它們消失了就是死亡，這種死亡每天都在發(fā)生，我們看到陽光曬到大地上，就不見了，這就是死了。但它們沒有真正地死去，而是被吸收轉(zhuǎn)化了。

電子吸收光子發(fā)生能量躍遷，原來的光子就沒有了，但電子為了穩(wěn)定要回到基態(tài)，就會釋放一個光子，這樣新的光子又產(chǎn)生了；光子還會與物質(zhì)發(fā)生能量交換，變成分子的動能，從而產(chǎn)生溫度，這可以理解為光子被物質(zhì)吃掉了，轉(zhuǎn)化出能量。

光子為什么一出生就具有光速？這是光子的基本特性，它就是這個脾氣。任何有質(zhì)量的物體要運動都要消耗能量，速度越大所消耗的能量就需要越大，這些能量加在物質(zhì)上，物質(zhì)就獲得了更大的動質(zhì)量。速度越快所需能量越大，動質(zhì)量就會越大，因此凡有質(zhì)量的物體，運動速度就會受到限制，無法達到光速，一個電子也不例外。

這是因為物質(zhì)運動受到質(zhì)速關(guān)系的限制，質(zhì)速關(guān)系公式表達為：M=m/√[1-（v/c）^2]

其中M為物質(zhì)的運動質(zhì)量，m為物質(zhì)的靜質(zhì)量，v為運動速度，c為光速。根據(jù)這個公式我們可以得出，當有靜止力量的物體速度趨近光速時，其動質(zhì)量會趨于無限大。何謂無限？就是整個宇宙質(zhì)能也不是無限的，一個電子達到比宇宙總質(zhì)能還要大的動量，這就是一個悖論。

而光子由于沒有靜質(zhì)量的，因此其運動速度無需能量就能夠達到，不受能量大小左右。但能量大小可以讓光子以波長和頻率的形式反映出來，能量越大，波長越短，頻率越高。所以光子一出生，就是光速，無須“動力”和所謂“瞬間加速”。

當然光速常量每秒約30萬千米，是指在真空中的速度，不同介質(zhì)中，光速是不一樣的，如光在冰中的速度為2.30×10^8m/s，水中的速度為2.25×10^8m/s，酒精中的速度為2.2×10^8m/s，玻璃中的速度為2.0×10^8m/s等。

光子運動速度也可以慢下來。除了上述在不同介質(zhì)中，可以讓光速變慢，還有一種讓光子運動慢下來的方法，就是冷凍。一般的冷凍當然不行，在宇宙空間只有不到3K，也就是-270℃以下，光速依舊保持其精確的常量，也就是299792458m/s。

但科學(xué)家們在實驗室制造了比這低很多的溫度，已經(jīng)無限接近絕對零度了。如科學(xué)家們在國際空間站制造出-273.149999999999℃的溫度，距離絕對零度-273.15℃只差0.000000000001℃，也就是億分之一K。

在這種特別低溫下，物質(zhì)呈現(xiàn)出一種特異狀態(tài)，也就是波色~愛因斯坦凝聚態(tài)。這是愛因斯坦的預(yù)言之一，又被證實了。這種物質(zhì)形態(tài)被稱為除了氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、等離子態(tài)，物質(zhì)的第五態(tài)。這種狀態(tài)下物質(zhì)呈現(xiàn)出超流體和超導(dǎo)性質(zhì)，電阻神奇消失了，而光在這種環(huán)境中也似乎被凍得走不動了。

1999年，丹麥物理學(xué)家萊娜領(lǐng)導(dǎo)的一個團隊，成功利用超流體將一束光的速度降低到17m/s，到了2001年，她已經(jīng)能夠?qū)⒁皇馔耆珒鼋Y(jié)。

這就是光速的一些奇妙特性，與大家一起分享。謝謝閱讀，歡迎討論。

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