光的速度快还是力的速度快?
狭义相对论
其实这个问题和量子场论有关,量子场论是科学家把狭义相对论和量子力学进行结合的产物。所以,要了解量子场论,就得先搞明白一些狭义相对论的内容。具体来说,就是质量,能量相关的内容。爱因斯坦发现,物体的质量随着运动速度的增大而增大。但是,这效果也不是无限递增的,也是有瓶颈的,他通过光速不变原理和相对性原理推导出了下面这么个公式:
那这个公式是啥意思呢?我们可以分两个方面来理解。首先,这个公式里面m0是指物体在静止的时候,也就是速度为0时的质量。而只有静止质量为0的东西,才能达到光速。光子其实就是静止质量为0的,所以它能达到光速。
如果质量不为0,其实是达不到光速的,因为要达到光速需要无限大的能量。
粒子物理标准模型
至于“力”,随着上世纪50年代-70年代物理学的发展,科学家统一了四大作用中的三大作用,强相互作用,弱相互作用,电磁相互作用。只剩下引力还没有被纳入进来。
这里之所以用“相互作用”这个词,是因为随着研究的深入,科学家发现“力”的概念并不是十分精准,于是,就采用的“相互作用”的概念。反正,你可以理解成“相互作用”就是一般人常说的“力”。而统一三大作用的正是粒子物理标标准模型。
在粒子物理标准模型中,传递力的其实是玻色子,其中传递强相互作用的是胶子,传递核力的是介子,传递弱相互作用的是Z玻色子和W玻色子,而传递电磁力的是光子(这和我们一般说的光子还是有区别的)。
所以,力的速度是不是比光速快,其实只要看一下传递相互作用的粒子的静止质量是多少就知道。
那我们先从强力说起,而核力和强力都隶属于强力。
我们想说核力,传递核力的是介子,介子是有静止质量的,因此,核力的传播速度是没办法达到光速的,也就是说,核力的传播速度是低于光速的。
而把三个夸克束缚在质子或者中子内的强力是由胶子来传递的,胶子的静止质量为0,理论上,这是可以达到光速的。不过,由于夸克禁闭的存在,所以,我们还无法观测到自由的胶子。
传递弱力的是,W玻色子和Z玻色子,它们是有静止质量的,因此,弱力的传递是低于光速的。
传递电磁力的是光子,光子的静止质量为0,所以电磁力的传播是可以达到光速的。
可能你要问,为什么有的粒子静止质量为0,有的不是。这其实和这些粒子是不是和希格斯场相互作用有关,如果相互作用,希格斯场就会让它们减速,获得质量。目前来看,只有光子是不和希格斯场相互作用的,所有光子的静止质量为0。
因此,我们来总结一下,传递核力、弱力的速度是低于光速的。而传递电磁力是可以达到光速的。传递束缚夸克的强力的速度目前来说理论上是光速,实际观测不到。
广义相对论
刚才也说到了,引力没办法被纳入到粒子物理标准模型当中。所以,我们还差一个引力没有说。那引力具体是咋回事呢?
目前关于引力的主流理论是爱因斯坦的广义相对论,他认为引力的本质是时空的弯曲。
而引力场实际上是一个弱场,所以这个传播的速度是等于光速的。那事实上是不是光速呢?
在引力波观测之前,科学家想了很多办法去测引力的传播速度,得到的结果确实是光速。不过,这些个实验远没有测量引力波来的证据确凿。因此,在后来LIGO观测到引力波之后,科学家终于确定了引力传播的速度,就是光速。
意思就是说,如果太阳突然消失了,各个行星会依次沿着轨道切线方向飞出去,地球要到太阳消失后8分20秒才会沿着轨道切线方向飞出去。
所以,最后我们把所有的力都总结一下:
引力:传播速度等于光速;
弱力:传播速度小于光速;
核力:传播速度小于光速;
电磁力:传播速度等于光速;
束缚夸克的强力:传播速度理论上等于光速,实际上无法观测。
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