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光子怎样诞生,如何达到光速,到底有没有质量?

常常有人对光速很疑惑:速度那么快,是如何达到的呢?是慢慢越来越快,还是突然就那么快呢?今天我们来讨论一下这个问题,看看是不是能让大家明白。

光速是光子运动的本子属性。

上世纪初叶,爱因斯坦就认识到光速是宇宙中物质运动的最快速度,并且以此为基础,创立了狭义相对论和广义相对论。因此真空光速是狭义相对论最重要的前提,没有这个前提,就没有狭义相对论;广义相对论是在狭义相对论基础上对宇宙更深入的理解,其基础是引力场论,即有关引力导致时空弯曲的理论,光速依然是最重要的常量。

开始对光速以及有光速引导出来的相对论,很多人不理解也不相信,后来无数的观测事实和实验试验验证了爱因斯坦理论的精确性,科学家们信了,世界上越来越多的人相信了,从此狭义相对论和广义相对论成为现代物理学的基石之一,另一块基石是量子力学。

但是到了今天,还有许多人质疑光速和相对论。比如光为什么能够有这么高的速度呢?它是如何达到的呢?这是很多人都想弄清楚的问题,觉得不弄清楚这个,似乎光速就依然是个谜。

其实这个问题异常简单,答案就是一句话:光速是光子本身的基本属性。要在进一步解释的话,就是光线是由一堆光子组成,是由光子组成的能量流,而光速是光子的本子属性,它一出生,就是这个速度,不需要“达到”。

那么光子为什么一出生就是这个速度呢?

这是因为光子没有静止质量,因此它就静不下来。这个世界上凡没有静止质量的物质,运动速度都是真空光速,比如引力波速度也是光速。真空光速的准确值为c=299792458m/s(米/秒)。这个速度可不是瞎子估水一担两桶猜出来的,而是经过科学家三百多年前赴后继的测量得出的,后来为了得到一个整数值,又通过国际度量衡大会,修改了米的定义,将米(m)的长度定义为光在真空中运动1/299792458s的长度,这样真空光速和米的尺度就相互印证,更为精准了。

光子没有静质量,但有能量和相对论质量。所谓相对论质量就是动质量,光子的能量遵循爱因斯坦质能方程,即E=mc^2=hv,由此可计算出光子动量为m=hv/c^2。这里E为能量,m为光子质量上限,c为光速,h为普朗克常数,v为任意电磁波频率。

光的波长越长,频率越低,能量越小;反之,波长越短,频率越高,能量越大。根据这个公式,我们可以计算出可见光中段500nm波长的绿光,其频率约6*10^14Hz,光子动质量约为4.4*10^-36kg;而波长约3*10^-16m,频率约10^24Hz的γ射线,光子动量则约为7.4*10^-27km。由此可见,光子的动质量是与能量成正比,与波长成反比的,也就是说波长越短,频率越高,动质量越大。

但光子的运动速度与能量无关,都是一样的。

所有波段的电磁波都是以光子为媒介传输的,因此光就是电磁波。电磁波能量从低到高,由无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等不同波段和频率的波谱组成,可见光只在其中占有大概在380~760nm之间这么一小段,其余的电磁波都是肉眼不可见,但通过各种设备仪器能够侦测到的,也可把这些波段的电磁波称为不可见光波。

这些不同能量的电磁波,其运动速度是一样的,如我们点一支蜡烛发出的光,太阳发出的光,还有看不见的X光、γ光,速度都是一样的,每秒约30万千米。只是频率不一样,动质量也不一样。频率越高由于能量越强,动质量越大,对人体等生物的伤害就越大,这就是X射线和γ射线很厉害的缘故。

光子是如何产生的?

光是电磁波,组成电磁波的是光子流。在量子力学里面,光子既是一粒一粒的微小粒子,又是声波一样的波,具有波动性,因此具有波粒二象性。光子的粒子性通过光电效应得到证明;而其波动性通过光子衍射得到证明。

根据麦克斯韦电磁场理论,光子是电磁场激发出来的。任何原子的外围都有电子,这些电子可以处在不同的能级。当电子得到受到一定能量激发,就会跃迁到更高能级。但这种跳出自己能级的运动有点像人们离开了家,在外漂泊感到不安全也不稳定,于是就总想着回家。作为电子来说,就是回到自己的低能级,从高到低也叫跃迁。要做到这一点,就像人们回家要买车票一样,电子就要释放出一个光子。

当大量的电子做这种运动时,就像春节前后的春运,来来回回就释放出很多光子。这些光子一出生,由于没有静质量,就停不下来,以每秒约3万千米的速度狂奔,如果没有阻挡,它们就一直奔下去。光子有个特点,它们奔跑起来目不旁视,勇往直前,即便再浓密的光子,也相互不会影响。只有路途遇到电子阻挡碰撞时,才会相互发生作用,光就会衰减。

太阳光、星光、白炽灯光、日光灯光、LED灯光、烛光、X光、γ光、无线电、微波、红外形、紫外线等等,所有看得见和看不见的光,也就是电磁波,都是这样发出来的。

结论:光是由光子组成的能量流,具有波粒二象性,光子没有静止质量,也就是无法静止下来,因此一出生就是以光速前行。光的行进路线是直线,不会拐弯,但会被其他带电物质反射、折射、衍射、吸收。

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