追着太阳的人

光可能是我们日常中最容易接触到的现象了，从生下来睁开眼睛起，我们这一辈子就跟光开始了不解之缘，当然这个不解还有另一层意思，那就是拨开层层迷雾之后仍然还是谜一样的光，比如光的波粒二象性，光的速度，等等都是科学史上著名难题，前者导致了量子力学的诞生，后者则是爱因斯坦的狭义相对论的催生针！

光是波还是粒子？

曾经这是一个悬案，从经典力学时代的牛顿和胡克之间的恩恩怨怨开始到二十世纪的哥本哈根诠释解释光和电子的波粒二象性结束，总共经历了将近300多年，在这个过程中，精彩纷呈，高潮迭出，令人目不暇接！

• 第一次波粒大战

第一次波粒战争的导火索是波义耳的光颜色理论，因为频率颜色不一样，所以光的颜色很容易解释，而波义耳的助手胡克在格里马第实验的启发下在1665年出版的《显微术》中明确支持光是一种波，1672年牛顿在向皇家学会递交的《关于光与色的新理论》论文中，提出了光的微粒说，胡克和波义耳正是当时评议会的成员，他们对此观点进行了激烈的批评。

当然大家都知道胡克是谁，也知道因为波动说和牛顿结下了数十年的梁子，牛顿打压胡克一直不遗余力，一直到胡克去世！但事情远未结束，牛顿在1704年出版的煌煌巨著《光学》同样也让惠更斯支持波动《光论》昙花一现！

• 第二次波粒大战

托马斯·杨的双缝干涉实验证明光是一种波，而且在并于1801年和1803发表了光的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象，并且计算出了光的波长大约在1/36000至1/60000英寸之间。双缝干涉是物理史上最伟大的实验之一，直到现在还是每个中学生必学实验之一。

菲涅尔的《关于偏振光线的相互作用》的论文更是在泊松亮斑实验的支持下证明了光是一种横波，并且傅科的水中光速小于真空中的速度则是第二次波粒大战中取得胜利的决定性一环。

到了19世纪60年代，麦克斯韦通过他发现的方程组推算出电磁波的速度和光速一样，因此麦克斯韦认为光也是一种电磁波！

但比较好玩的是十几年之后赫兹为麦克斯韦证明了电磁波的存在，但却同时发现了一种波动难以描述的光电现象，使得光的粒子说有一次摆在了大家的眼前。

• 光子和电子，到底是粒子还是一个波？

爱因斯坦证明了光电现象是由光子引起的，粒子说有一次站到了前台，而且和普朗克的黑体辐射公式一起，开创了伟大的量子力学时代，但这并不是结束，而是刚刚开始而已！

1909年卢瑟福通过α粒子散射发现了原子核的存在，因而建立了卢瑟福的原子模型，而他的学生玻尔则将卢瑟福的原子模型量子化，成功建立半量子化的原子模型，但很可惜这个模型只能解释单电子原子！

后来海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动方程分别以粒子和波的模式描述了原子内部电子的运动方式，并且辅以伯恩的概率解释和爱森堡的不确定性原理，将原子内部的第一次以数学的方式统一了下来，但电子到底是粒子还是波，还是没有人来确认这个事实！最终玻尔以互补原理最终将波和粒子完美统一在一起！

现在我们可以说，光和电子，它既是个粒子也是个波！

光子是怎么产生的？速度为什么不会衰减？

光子是怎么产生的？这个问题玻尔在建立他的半量子原子模型时就已经告诉大家了，电子在吸收能量后会跃迁到更高的能级，但在那个能级电子是不稳定的，会重新跌落到基态，它将释放出吸收的能量，这个能量为：

E=HV

当然不只是电子释放出光子，原子核被激发也可以释放出光子，核聚变和核裂变已经正反物质湮灭都可以释放出光子，但光子一旦产生它的速度就是30万千米/秒（近似值）。

• 光子为什么一开始就那么快？

没有静止质量是光子的一大特征，我们可以看看常见粒子的速度来和光子对比看看：

1. 低速的太阳高能粒子：200-800千米/秒
2. 亚光速的中微子流：低于光速0.0006%
3. 光速的粒子流：伽马射线，光速

第一种来自太阳的高能粒子，主要是氢核和氦核，它的质量是：1.674×10千克，氦核则是它的2-4倍。第二种是高亚光速的中微子，质量最大的τ中微子只有电子1/3.33万，大多数计算的时我们可以将电子质量直接忽略，但中微子质量只有电子的数万分之一！第三种则是光子，它直接就是光速，没有静止质量！

光子没有静止质量，因此穿越整个宇宙时除非撞上别的粒子，否则它的能量不会衰减，因为它不会在希格斯场中获得静质量，这是它保持光速而不衰减的秘密。除非它克服引力场跨越梯度空间，或者被宇宙膨胀拉长距离的空间穿行。

星辰大海路上的种花家

在经典物理学中大家都知道，要想让一个物体获得速度就需要给它提供能量，这个能量可以转换为物体运动的动能。因此也就有人有疑问，真空中光速30万公里，那么它的动力是哪里来的哪？

光应该是宇宙中最常见也是最神秘的存在了，最开始大部分人都认为光是瞬时作用的，就是没有速度的概念，无论传播到多远的距离不需要消耗时间。这种印象也很符合我们的认知，因为只要光一出现瞬间就可以填满小黑屋。当然我们现在知道这都是由于光速太大的原因，光速一秒钟可以绕地球七圈半，你认为仅仅生活在地球上某个国家、某个城市、某个街道、某个小区的我们可以感受到这种时间差吗？

但有的自然哲学家就不这么认为，第一个提出质疑的就是伽利略，他老人家开始组织人手进行了光速测量，当然结果不如人意，光速并不是那么好测量的。而真正测出光速或者是接近光速的是法国物理学家菲索（Fizeau,1819-1896），他设计了一套测量光速的装置（旋转齿轮），最终测出的光速是31.5万公里每秒，这和真实光速已经很接近了。

而光速真正的数值是在麦克斯韦提出他的“精美方程”之后，用波长和频率相乘得到速度，最终光就是电磁波的结论也被所有人所接受。以后的光速不用测量，直接就用频率乘以波长。光是电磁波，它的速度就是震荡的电场产生震荡的磁场，如此循环下去就是电磁波的传递。最后经过牛顿的绝对时空观，光在已经以太中传播，再到爱因斯坦的光速不变原理发展出相对论，科学家对于光了解的越来越透彻。

光从粒子说发展到波动说，最后再到波粒二象性。爱因斯坦提出了光电效应，认为光的能量形式也是“一份份”的，也就是量子形式，从此光又有了新描述形式光量子，简称为光子。在宏观上来看恒星核聚变发光、家里用电发光、点燃火把发光，但是从微观角度上来看是因为绕原子核运动的电子。

从量子力学角度来考虑，电子在原子核外是呈现概率分布的，也就是不存在具体的位置，是一片电子云。电子所处的位置有高能级和低能级之分，当电子吸收能量就会从低能级跃迁到高能级，但是这并不是稳定的状态，电子有自发向低能级跃迁的趋势，这个时候多余的能量就会一份份的释放出去也就是一个个的光子。

所以说光实际上是能量并非是物质，它没有静质量，因此电子跃迁释放的能量会完全无损失的转化为动能。从宇宙大爆炸支持，一切的物质和能量全部来源于“奇点”，那个时候开始能量就以光的形势产生了。也可以换一句话来说没有静止质量的生来就是光速运动，如果不是光速运动，那么现在的一整套科学体系就直接坍塌了。光子不存在加速过程，直接就是光速，它们不是物质的是能量，不要认为称为光子就是真正的粒子。

科学黑洞

光子没有质量，因此它一诞生，就以每秒接近30万公里的速度运动，不存在动力来源和加速过程。光子要么不存在，要么存在，如果存在，它就一直以光速运行，直到它与其它粒子相互作用被吸收。

光子的产生过程。光是电磁波，电磁波被描述为电磁场的激发，电场激发磁场，磁场又激发电场，依此类推，但首先源自于围绕每个原子核旋转的电子的激发。氢原子有一个电子绕原子核旋转，氦原子有两个电子绕原子核旋转，铝原子原子核周围有13个电子，每个原子都有一定数量的电子绕其原子核运动。电子绕着原子核在固定的轨道上运行，电子有一个它所占据的自然轨道，但是如果你激活一个原子，可以把它的电子跃迁到能级更高的轨道。为了达到稳定，电子倾向于回到原来的轨道，当处于高能级轨道的电子回到正常轨道时，即从高能量到正常能量的下降过程中，电子就会发射出一个

大多数基本物质粒子，如电子、介子和夸克，通过它们对宇宙中普遍存在的希格斯场的阻力获得静止质量。光子和胶子，不受希格斯场的影响，所以它们没有质量，无质量粒子是纯粹的能量，无质量粒子有一些独特的性质，没有边界，没有表面，是完全稳定的，所以不像某些粒子，它们的能量不会衰减成质量较小的粒子，因为它们所有的能量都是动能，它们必须以光速运动。虽然光

科学闰土

谁告诉你光是有速度的，我们对光的测算是有误区的，拿太阳系来说它并不是我们看见的2-3围度而是11围度，只是我们的科技还不能理解跟看到。

光一经诞生就以光速运行，光子的静止质量为零；光子只要不被吸收就永远停不下来，而且光子的寿命几乎是无限长的。

一八零1

如果我们扔一个很重的铅球，最多只有十几米远。然而，如若是扔一颗手榴弹的话，至少也有三、五十米。为什么呢？这是因为同样的能量，质量越小的物体获得的运动速度就越大。于是，质量较轻的物体，被抛出的距离就较长。

光子是我们宇宙中不可再分的最小粒子，即是量子的激发态。其角动量为普朗克常数h，约为6.623x10-27尔格秒。这是一个非常小的数值。

由于角动量等于质量、半径和角速度的乘积，说明光子也是一个实体粒子，其质量和半径都是大于零的。

然而，与各种基本粒子不同的是，光子并不是由高能量子组成的封闭体系，因而其没有屏蔽量子的动能。

由于质量是被封闭的粒子关于其空间效应的度量，所以作为离散的激发量子，光子的质量是非常小的，小于10-40克。即便是与最轻的电子相比，光子的质量不足电子的万亿分之一。

这就是为什么，光子可以具有极大的速度在空间运动的原因。其一方面，是因为体积的细小，受到空间的束缚不大；另一方面，则是量子只要获得很小的能量，就可以成为光子，具有很快的速度。

实际上，在光子的能量中，只有极小的部分是动能。由于量子空间的密度很大而光子的质量又很小，以至于光子的能量主要是相对于空间的势能。

光速仅只是光子维持其相对于空间势能的速度。这也是为什么我们在通常的情况下，看不到光速变化的原因。

因此，光子之所以具有较大的速度，使其由原来的无规运动（基态量子）转变为有向运动的，就在于我们对空间量子的激发。

这就好比空气，在通常的情况下，气体分子是无规运动的，其对我们的碰撞💥是对称的。因而，我们感受不到空气的存在。

但是，当我们扇扇子或打开电风扇时，空气中的气体分子就获得了动能，具有了有向运动。这就是气体分子受到激发的物理机制。

对基态量子的激发，使之成为光子的物理机制也大致如此。只要我们搅动量子空间，就会对空间量子进行激发，从而使基态量子转变为激发量子—-光子。

只是因为量子太小，其无规运动的速度又很大，普通宏观物体的低速运动是很难激发量子的。这也是为什么，低速运动的宏观物体并没有感受到量子空间阻力的原因。

如果两个巨大的天体相互碰撞，就会引起量子空间的涟漪，即形成以光速运动的引力波。其本质也是激发量子，只是单个量子获得的能量较低，超出了可见光的范围。

如果原子中的电子对基态量子进行碰撞，从而使其由高能的激发态跃迁回基态，将能量传递给了量子。于是，受到激发的量子就成为具有较高能量的光子。这就是著名的光电效应。

除此之外，类似搅动水可以产生水波，电磁场的交互变化，也可以激发量子，产生具有光速传播的电磁波。

总之，我们的宇宙是由不可再分的最小粒子即量子构成的。因此，宇宙就好比是一个量子海洋，而物质是量子海洋所泛起的泡沫。只要有物体搅动量子海洋，就会打破量子海洋的平静，使受到激发的量子成为光子。

淡漠乾坤

没有相应的知识，就别自作聪明。

首先，光速是指光波的速度，不是光子的速度。电磁波的速度也是光速，还有宇宙射线……，电流的速度也是光速，但电子的速度也就是厘米级别。如果都是有某种实体以光速度运行，那你晒一下太阳，不出一秒钟会被“晒成马蜂窝”。

其次，说宇宙爆炸速度大于光速，那可是正儿八经的实体物质！那么，以我们肤浅的知识，会认为科学家根本就不可能推测宇宙直径。再有，我们现在正在以超光速的速度离开宇宙中心（超光速的爆炸还在进行中），我们都会“永生”，我们的时钟应该停止，可我们感受到了时间。

不懂就是不懂，我也不懂，就不饶舌了。

教育反思者

晚上经常看月亮，月亮距离地球38万公里，按光速每秒30万公里，地球上的光一秒多钟就能达到月亮🌙，在城市上空，晚上千万盏灯向太空发射光，但好像没有照亮月亮，月亮还是圆缺变化呈现在我们面前，光源如太阳光，电灯💡光，手电筒🔦，区别巨大，这些不同光源力量产出的光速会是一样，地球上的灯光照不亮38万公里处月亮，难道光速30万公里不是真实的事情。

KongZWang

光的速度确实很快，但光的传播并不需要任何动力和能量，而且光“一生下来”就以光速飞行，除非被物质吸收，否则光一直会以光速飞行！

光的本质是电磁波，而在麦克斯韦方程组中，光速是一个常数，这意味着在真空状态下，光速不会因任何运动状态或参照系的选择而发生变化。同时，光也是一种能量，并非我们通常所说的物质。

更重要的是，光没有静质量。什么是静质量？简单说，我们取一个惯性系K，使一个物体相对于K参照系保持静止，则在惯性系K中测量到的质量就是该物体的静止质量。

但光速恰恰很特别，光速不变原理告诉我们，在任何参照系下测量到的速度都是光速本身，也就是说光速是绝对的，比如说，即使你以99%光速飞行，你身上发出的光的速度仍旧是光速，无论在哪个参照系下观察都是如此。

所以，光没有静质量，没有静质量的事物只能以光速飞行。从另外一层面分析，物体之所以有静质量，因为会与希格斯场发生作用，而光并不会与希格斯场发生作用。

同时，光速限制并不是绝对的，并没有限制所有事物都无法超越光速，相对论的光速限制也是有前提条件的，这个条件就是：任何携带能量或者信息的事物都无法超越光速，而宇宙膨胀本身并没有传递任何信息，所以可以随心所欲地超越光速！

宇宙探索

光子没有质量，但具备能量，所以也只拥有速度，光速在真空中速度才能达到每秒30万公里，至于为什么是这个数字，而且是宇宙中速度上限，爱因斯坦当年也没搞清楚。第二的问题为什么宇宙膨胀速度可以超过光速，这个通行解释;宇宙的膨胀是空间的膨胀，里面的物质速度并未超光速，只是相互的距离变化超过了光速。这个是个初等数学题，可能很难理解，举个例子来说明下吧，给你一根10厘米长的橡皮筋，权当它就是宇宙，上面每厘米画一个点，这点当作宇宙中的星系，你拉伸橡皮筋时当作宇宙膨胀，好了，当相邻两点以每秒一毫米速度膨胀时，10秒后，相邻两点距离增加一倍变成了2厘米，两点之间距变化速度每秒1厘米。但是皮筋总长变成了20厘米，两端点距离变化为每秒10厘米。只要皮筋(宇宙空间)足够长，那么速度很容易超过光速。但是皮筋(宇宙空间)上任意一点(星系)相对于周边的皮筋(宇宙空间)速度确仍然是每秒1厘米，远低于光速。皮筋(宇宙空间)的拉长我们称之为宇宙膨胀，拉皮筋的力我们称之为暗能量，皮筋的收缩力我们称之为引力

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光无处不在，它们承载着物体的信息在空间中传播。当我们接收到光，就能知道光携带的信息，从而看到发出或者反射出这些光的物体。我们不仅仅研究光的来源，也会研究光本身，人类对于光的研究由来已久。

光速的研究

很早之前，人类就试图去测量光的速度。但由于光速太快了，快到人们认为是无限的。随着观测和实验的进步，天文学家罗默最早测出了光速，首次确定光速是有限的。此后，实验精度变得越来越高，光速也测得越来越准，其大小约为30万公里/秒。

在爱因斯坦创立相对论之后，人们才进一步知道，光速真的非常快，因为这个速度是宇宙中的局域速度上限，没有任何速度能够超过它。而且光速还十分特殊，光只能以光速传播。更为特别的是，无论是哪个参照系中的观测者，所测得的光速都是完全相等的。

基于相对论的光速不变原理以及人类对光速的高精度测量，物理学家决定在没有对目前物理量大小产生可测影响的情况下，把光速的大小定义为299792458米/秒。这样，人类再也不用为精确测量光速而苦恼，而且还能解决用于定义米的米原器存在误差的问题。

无论是电子跃迁，还是核聚变、核裂变反应，或者是正反物质湮灭，这些过程都会产生光。一旦光产生之后，它们的速度就会瞬间达到光速，而且始终会以这个速度传播。如果光没有被物质吸收，它们不会在宇宙中消散掉，而且速度始终保持光速。例如，宇宙在138亿年前产生的第一批光子如今还在，它们还以光速在宇宙中穿行。

那么，光是怎么达到光速？光又是如何保持光速？驱使光前进的动力是什么？

光的粒子性

如果从光的粒子性角度来解释，光是由无静止质量的光子组成。根据狭义相对论，既然光子的静质量为零，它们的速度只能是光速。根据粒子物理标准模型的希格斯机制，没有静质量的光子在穿过遍布宇宙的希格斯场时，光子不会发生耦合作用，所以它们不会获得静质量，速度也不会从光速降下来。

光子一旦被制造出来，它们的速度就会直接达到光速，没有从零到光速的加速过程。光子的传播不需要能量来驱动，如果没有被物质或者黑洞吸收，它们始终会以光速在真空中无限传播下去。

光的波动性

另一方面，如果从光的波动性来解释，光的本质是电磁波。麦克斯韦电磁场方程组表明，电和磁在本质上是统一的，变化的电场会激发出磁场，变化的磁场又会激发出电场，如此反复，就产生了电磁波。

由于电磁场以光速建立起来，所以电磁波会以光速传播。电磁场的产生和存在没有借助于介质，所以光可以在真空中以光速传播。虽然随着空间结构的持续膨胀，在空间中传播的光会出现红移，但它们不会完全消失在宇宙中。

關鍵字: 既然 万公里 科学