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光子是如何達到光速的?


宇宙接觸光子會以光速運動,真空中的光速()是宇宙中最快的局域速度,那麼,光子是如何達到光速的呢?為什麼光子在真空中會一直以光速前進呢?事實上...

- 2019年5月07日01時32分
- 科學文摘 / 宇宙接觸

宇宙接觸

光子會以光速運動,真空中的光速(c)是宇宙中最快的局域速度,那麼,光子是如何達到光速的呢?為什麼光子在真空中會一直以光速前進呢?

事實上,光子無需加速直接就能達到光速,光子在產生的一瞬間就已經是光速,沒有從零加速到光速的過程。之所以光子會如此特別,是因為光子沒有靜質量,這就使其必然以光速運動。


根據狹義相對論,一個靜質量為m0的物體,如果它的相對速度v逐漸加快,那麼,它的運動質量m也會逐漸增加,它並非像經典力學中所認為的那樣保持不變,具體的質增效應公式如下:

從上式中可以看到,如果物體的速度無限接近光速,它的動質量將會無限增大。在這種情況下,讓物體繼續加速到光速是不可能的,因為所需的能量是無限的。因此,如果物體擁有靜質量,那麼,無論怎樣加速,它的速度始終無法達到光速。

由於光子的速度為c,這意味著上述公式的分母為0。為了使上述公式有意義,根據高等數學中的0/0型不定型極限,這就必須要求分子也為0,即光子沒有靜,質量。在這種情況下,上述公式有意義,這意味著光子有動質量。那麼,光子的動質量為多少呢?

首先,根據光子的能量(E)公式可得:

E=hν

上式中,h表示普朗克常數,ν表示光子的頻率。


再結合質能方程(E=mc^2),可以得到光子的動質量為:


m=hν/c^2

除了光子之外,還有膠子的靜質量也為0。同樣地,膠子的速度也必然為光速。只要物體沒有靜質量,它只能以光速運動,它在出現的一瞬間就已經達到光速,無需任何的加速過程。

關於狹義相對論的質增效應,已經在粒子加速器中得到了充分的驗證。無論粒子加速器有多麼強大,對於一個有質量的亞原子粒子,即便是小如質子或電子,它們都無法被加速到光速。在強大的粒子加速器中,亞原子粒子很快就會被加速到亞光速,但進一步加速也只能讓速度提升一點,更接近光速一點,但就是不能達到光速。


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