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光子凭什么达到光速，是否需要动力驱动，有办法减慢吗？
来源：互联网
2024-11-12 23:30:09 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
网络上常看到诸如此类的问题，今天我们一起来讨论一下。
光子无须“动力”催动，它一出生就是光速。因为光子没有静止质量，也就是其静止质量必须严格为零。现代很多最重要的物理理论都是建立在这样一个假设上的，比如库伦定律的平方反比定律、麦克斯韦方程组和电磁场的拉格朗日量等，如果光子静止质量不为零，这些理论都将被推倒，而以这些理论为基础的几乎所有现代物理学和量子力学理论就要重建。
爱因斯坦根据质能方程E=MC^2和光量子能量公式，粗略推导出光子动质量上限，其表达式为：m=hv/c^2。式中，m代表光子动质量上限，h为普朗克常量，v代表任意电磁波频率，c为光速。
根据这个公式，可计算出光子动质量上限约为5.74x10^-50kg。中国武汉华中科技大学教授罗俊领导科研团队，进行了一个“用精密扭秤检验光子静止质量的上限”的研究，得出新的光子质量上限为10^-48kg的成果，这个成果得到世界科学界的承认，在过去光量子质量上限基础上提升了2个数量级。
但这些这只是对光子动质量的研究，而静质量严格为零的假设迄今没有人能够证伪，因此光子静质量为零的假设依然是科学界奉行的禁区和杠杠。
光子的出生和死亡。首先我们要记住，光子是电磁波传递的媒介，也可以说电磁波就是光波。因此不要把光理解为单纯我们人眼可见的光，可见光只是电磁波谱里面一个很窄的频段，波长约在380nm~760nm之间，频率约在380~750THz范围；而整个电磁波谱频段还包括无线电波、红外线、紫外线、X射线、γ射线，这些都是光的形式，波长涵盖千米级到皮米级，频率涵盖几个Hz到数万亿亿Hz，只不过是肉眼不可见的光而已。
光子的产生过程是微观世界的运动，有两个方式：一是正反粒子湮灭，会发出耀眼的光芒，这就是产生了光子；二是电子吸收能量后会发生跃迁，从低能态到激发态，为了达到稳定状态，会回到基态，就会发出一个光子。
不管是核聚变还是火光、灯光，所有的光子都是这样发出来的，这些看得见看不见的光，组成了我们充满宇宙的电磁波。那么这些光子会死亡吗？如果说它们消失了就是死亡，这种死亡每天都在发生，我们看到阳光晒到大地上，就不见了，这就是死了。但它们没有真正地死去，而是被吸收转化了。
电子吸收光子发生能量跃迁，原来的光子就没有了，但电子为了稳定要回到基态，就会释放一个光子，这样新的光子又产生了；光子还会与物质发生能量交换，变成分子的动能，从而产生温度，这可以理解为光子被物质吃掉了，转化出能量。
光子为什么一出生就具有光速？这是光子的基本特性，它就是这个脾气。任何有质量的物体要运动都要消耗能量，速度越大所消耗的能量就需要越大，这些能量加在物质上，物质就获得了更大的动质量。速度越快所需能量越大，动质量就会越大，因此凡有质量的物体，运动速度就会受到限制，无法达到光速，一个电子也不例外。
这是因为物质运动受到质速关系的限制，质速关系公式表达为：M=m/√[1-（v/c）^2]
其中M为物质的运动质量，m为物质的静质量，v为运动速度，c为光速。根据这个公式我们可以得出，当有静止力量的物体速度趋近光速时，其动质量会趋于无限大。何谓无限？就是整个宇宙质能也不是无限的，一个电子达到比宇宙总质能还要大的动量，这就是一个悖论。
而光子由于没有静质量的，因此其运动速度无需能量就能够达到，不受能量大小左右。但能量大小可以让光子以波长和频率的形式反映出来，能量越大，波长越短，频率越高。所以光子一出生，就是光速，无须“动力”和所谓“瞬间加速”。
当然光速常量每秒约30万千米，是指在真空中的速度，不同介质中，光速是不一样的，如光在冰中的速度为2.30×10^8m/s，水中的速度为2.25×10^8m/s，酒精中的速度为2.2×10^8m/s，玻璃中的速度为2.0×10^8m/s等。
光子运动速度也可以慢下来。除了上述在不同介质中，可以让光速变慢，还有一种让光子运动慢下来的方法，就是冷冻。一般的冷冻当然不行，在宇宙空间只有不到3K，也就是-270℃以下，光速依旧保持其精确的常量，也就是299792458m/s。
但科学家们在实验室制造了比这低很多的温度，已经无限接近绝对零度了。如科学家们在国际空间站制造出-273.149999999999℃的温度，距离绝对零度-273.15℃只差0.000000000001℃，也就是亿分之一K。
在这种特别低温下，物质呈现出一种特异状态，也就是波色~爱因斯坦凝聚态。这是爱因斯坦的预言之一，又被证实了。这种物质形态被称为除了气态、液态、固态、等离子态，物质的第五态。这种状态下物质呈现出超流体和超导性质，电阻神奇消失了，而光在这种环境中也似乎被冻得走不动了。
1999年，丹麦物理学家莱娜领导的一个团队，成功利用超流体将一束光的速度降低到17m/s，到了2001年，她已经能够将一束光完全冻结。
这就是光速的一些奇妙特性，与大家一起分享。谢谢阅读，欢迎讨论。
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