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光子与光速 精选

已有 12533 次阅读 2012-2-2 23:51 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

 狭义相对论和量子力学是整个现代物理学的根基,它们分别依赖于两个基本常数:光速c和普朗克常数h。或许光速c被命名为爱因斯坦常数更合适,因为是爱因斯坦赋予了这个最无神秘色彩的物理学基本常数一些神奇的意义,使得光成为人类探索微观世界和宇宙奥秘的最有力探针。《科学世界》二零一二年第二期特别策划的“光速c”一文,讲述的就是与光和光速有关的科学故事。

 

爱因斯坦的天才之举就在于他提出了两个革命性的主张,强烈颠覆了经典物理学对光的认知和描述。第一个主张是光的量子化,即光线是由无数个被称作光子的基本粒子组成的。这种光量子携带不连续的能量,能够完美地解释经典电磁波理论所无法解释的光电效应,爱因斯坦本人也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。对于日常生活中的可见光而言,每个光子携带的热量虽然只有区区0.0000000000000000001卡路里,却足以激发眼睛的感光细胞,从而引起视觉效应,使得恋人之间的眉目传情和仇人之间的怒目而视都成为可能。对于广渺浩瀚的宇宙而言,光子是最早产生于大爆炸的基本粒子之一,它们在宇宙年龄达到38万年的时候不再与周围的电子和原子核相互作用,保证了电中性原子得以形成并最终构成了包括人类自身在内的世间万物。退耦的光子形成了我们今天所观测到的宇宙微波背景,虽然温度很低,但它们始终以光速在宇宙空间奔跑,永不停歇。

 

爱因斯坦关于光的性质所提出来的另一个革命性的主张,就是光速不变原理,它与相对性原理一同构成了狭义相对论的基础。与经典物理学完全不同的是,光速被爱因斯坦赋予了绝对的意义,而时间和空间则只具有相对的意义。换句话说,光在任何参照系、针对任何观察者都以不变的速度传播,而时间的流逝和空间的距离则会因参照系和观察者的不同而不同。光速不变至少导致了如下几个出人意料的后果:(1)时间延缓——作高速运动的时钟在静止不动的人看来,走得要比自己身边的时钟慢;(2)空间收缩——作高速运动的物体在静止不动的人看来,其长度变短了;(3)同时的相对性——处于某一参照系的人所看到的同时发生的两个事件,对于处在另外一个参照系的人来说却未必是同时发生的;(4)质能方程——物体的能量等于它的质量乘以光速c的平方。爱因斯坦的质能方程揭示了质量与能量之间的相互转化,原子弹爆炸的巨大能量来源正是基于这个方程所描述的原理,所以说它也是一个曾经改变了整个世界的方程。

 

狭义相对论告诉我们,只有静止质量为零的粒子才能够以光速运动,否则它的运动速度必定小于光速。光子由于受到电磁规范不变性的保护,是标准弱电模型中唯一静止质量严格为零的基本粒子,所以光速定义了微观和宇观世界的最高速度,成为相对论中唯一具有绝对意义的物理量。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)可以把质子加速到十分接近光速的速度,中国科学院高能物理研究所的北京正负电子对撞机(BEPC)也可以把电子加速到非常接近光速的速度,但电子和质子的静止质量限制了它们的速度永远不可能达到光速。任何物体和信息的传递速度都不可能超过光速的事实,也保证了因果律始终成立。

 

然而不断有人质疑光速不变原理和寻找超光速现象,尽管他们始终没有得到令人信服的结果。由于意大利的OPERA实验组在2011923日宣称发现了中微子超光速的证据,挑战光速不变原理的声音顿时甚嚣尘上,与批评OPERA实验结果的声音共同构成了2011年物理学界一道亮丽的风景线。中微子具有极其微小的静止质量,因而它们的速度在正常情况下接近光速但不会等于或超过光速。OPERA实验的主旨在于测量中微子振荡,一种周期性的可以在长距离观测到的量子相干效应。作为只参与弱相互作用的神秘粒子,中微子的产生和探测也必须依靠相应的弱相互作用过程来实现,而中微子作为自由粒子的传播过程才与其速度的大小直接相关。这种实验的探测细节极其复杂,尽管OPERA实验组的科学家们相信他们目前的测量结果似乎没有问题,但同时也承认可能存在尚未理解的系统误差。或许OPERA实验正如诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格所揶揄的那样:关于这个实验的报道令人印象深刻,但叫我感到郁闷的是,有足够的证据表明所有其他的粒子从未跑得比光快,而观测中微子是异常困难的。这就好像有人说在他们家的花园深处藏着许多仙女,不过只有在雾蒙蒙的黑夜才看得见她们。 毋庸讳言,撼动历经百年科学检验的光速不变原理谈何容易?除非发现极不寻常的新物理,否则光速c应该就是宇宙的最高速度。(本文是博主为《科学世界》2012年第二期撰写的卷首语)

 



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