当电筒的开关按下,宇宙中最迅疾的光子跃然而出,它们速度之快,两节干电池怎能提供如此庞大的能量呢?
光子仿佛在说:不是我加速了,而是你放慢了脚步。速度或许不足为奇,万物皆可拥有。然而,缓慢意味着积蓄了深厚的力量,这力量能使之稳定,持久如斯。
光子的语言揭示了宇宙的深层秘密,正如狭义相对论所阐释的:任何拥有静止质量的物体均无法达到光速,而无静止质量的物体则永恒以光速移动(在真空环境下)。爱因斯坦的质能方程则告诉我们:质量即能量,只不过是存在的形式不同,质量显得更为恒定。这些理论可能让人觉得高深莫测,它们仅仅是表象的自然法则,那为何会这样呢?探寻答案的钥匙,就藏在微观宇宙之中,让我们深入挖掘。
那么,光究竟是什么呢?
光一经诞生,便以光速在时空中穿行。牛顿曾经说:一个不受外力或合力为零的物体,将永远直线运动。这个观点看似与光的特性相符,但别忘了,牛顿的前提是将光视为一种“物体”,也就是说,光是由某种微粒构成的。如果光是波,比如水波,那这个论断就无法成立了,因为波需要媒介。
牛顿之后,科学界迎来了另一位巨星——麦克斯韦。他说:电场的改变会激发磁场,磁场又会激发电场,如此往复,电磁波即为光的本质。
到了量子物理的纪元,德布罗意提出:大家说的都有道理,也都不完全对。
爱因斯坦也认同这一观点,他虽然没有完全领悟,但显然意识到了更深层次的真理。他建议,我们有时需用一套理论来解释(粒子行为),有时又需要另一套理论,有时则需两者兼用。我们似乎面临着新的困境,需要通过两个看似矛盾的观点来描述现实,单独任何一种观点都不能完整解释光的性质,但两者合璧却可以。
爱因斯坦的见解揭示了光的波粒二象性——光既是波动的,又是粒子的。但不仅光有这种性质,所有的粒子或量子都具备这种特质。这一理论的诞生,标志着人类突破了物理学的障碍,打开了新世界的大门,它也是宇宙造物的深层密码。
波粒二象性是量子物理的核心所在,奇异的双缝实验、不确定性原理、薛定谔的猫、上帝是否掷骰子、平行宇宙等话题都与之息息相关。那么,何谓量子呢?量子的定义大致可以理解为:拿刀将一个苹果切分,直至无法再切,每一小份即为量子。光同样具有量子性,其最小单位称为光量子,简称光子。
然而,量子的定义只涵盖了一半的真相,别忘了量子同样具有波粒二象性。因此,量子不仅有粒子性,同时也具备波动性。例如,我们可以说氢原子的外层有一个电子,也可以说氢原子外层存在一片电子云。
如果我们将一“滴水”切分至极,最终剩下的会是什么?
起初,我们以为物质的最小单位是分子或原子,后来发现原子可以细分为电子和原子核,而电子核又能分为质子和中子。进一步研究发现,质子和中子由(三价)夸克和胶子构成。
因此,物质由夸克、电子、胶子等微观粒子构成,这些被称作基本粒子。通过粒子对撞机,科学家们已发现61种基础粒子,他们推测还存在一种传递引力的粒子——引力子,尽管目前尚未找到。算上引力子,基础粒子共有62种。
要详细探讨所有这些粒子,恐怕需要耗费大量时间。简而言之,所有粒子本质上都是无质量的,它们都是零维的点状物体。然而,正是这些零维粒子构建出了三维的宇宙万物,包括你我,而我们是有质量的。
单个粒子没有质量,但当“机遇”使两个粒子相遇并发生相互作用时,质量便由此产生。因此,爱因斯坦认为能量即质量。
试想一个场景:
广场上站满了路人甲,他们可能是希格斯玻色子、胶子、电子等各种粒子。若此时一个“明星”穿过广场,人们会蜂拥而上,明星因此行动受限,质量相对较大,需要更多能量才能移动,就像夸克。
如果是一个“网红”穿过广场,部分人会围观,部分人则不为所动,因此受到的限制较小,能够更轻松地穿越,质量相对较小,如电子。
如果你只是普通人,无人关注,你则可以轻松快速地穿越广场,毫无束缚,如同光子,质量为零。
夸克带有色荷,如同电子带有电荷;胶子可以牢牢束缚三价夸克,产生强相互作用力;而电子则通过光子传递电磁力。
粒子间的相互作用源于它们的内在属性,如角动量、电荷、色荷等。正是这四种基本力将这些粒子束缚在一起,形成了有质量的质子、中子、原子核、原子和分子,进而构成了三维宇宙,孕育了我们。
光速之所以能达到如此之快,能量的来源似乎是无中生有。我们之所以慢,是因为我们有能量来源,而能量的表现形式就是质量。当粒子发生相互作用时,能量便产生,这也是原子弹爆炸时少量质量能释放出巨大能量的原因。