质量对你来说意味着什么

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今天我们将讨论我认为最奇怪和最被低估的基本粒子。这是一个光子。

在理论预测这种粒子存在大约二十年后，“光子”一词出现在物理学家和抒情诗人的日常生活中。它（预测）是由阿尔伯特·爱因斯坦于 1905 年向全世界提出的。

19 世纪末，麦克斯韦方程组以异常优雅且易于理解的方式解释了所有电、磁和电磁相互作用的现象。几乎全部。

根据麦克斯韦方程组，光是一种波。这与之前的各种实验一致，光束所携带的能量取决于其强度。这是唯一决定与光相关的过程的因素。

谁发现了光子？

我们来关注一个具体的实验：光电效应。在 20 世纪初，人们已经知道，如果你拿一块某种金属并照射它，有时光会从该金属中击出电子。也就是说，光产生电。顺便说一句，这就是该效果的名称。

可以合乎逻辑地假设，如果您有一块像样的合适金属，并用手电筒照射它，发现没有任何反应，那么您将尝试通过添加能量来实现该效果。只是需要一个更强大的手电筒！因此，使用了40千瓦的军用探照灯。然而，看起来如此合乎逻辑的事情并没有发生。而什么也没有发生，无论灯泡的功率有多大，仍然没有效果，这让上世纪初的物理学家陷入了沮丧的状态。

爱因斯坦对这种现象给出了非常优雅而简单的解释。为此，他扩展了普朗克的能量量子化思想。根据爱因斯坦的说法，光由称为“光量子”的点粒子组成。这些粒子具有一定的能量，该能量完全取决于光的频率（频率越高，每个量子的能量越高）。所以蓝光量子比红光量子具有更多的能量。当灯泡非常强大时，这是因为它发出大量的光量子。但它们各自的能量与颜色保持相同。因此，光电效应并不取决于灯泡的功率，而是取决于光量子的波长。

红灯泡不会产生光电效应，因为光量子根本没有足够的能量。然而，如果手电筒发出蓝光，就会产生光电效应。即使手电筒发出的光不是很亮，每个明亮的量子也会去除一个电子。嗯。一切似乎都很合适。

顺便说一句，这种对“光量子”的解释与布朗运动和狭义相对论的论文同年写成，为爱因斯坦赢得了 1921 年诺贝尔物理学奖。

1926年，吉尔伯特·N·刘易斯提出了粒子的名称“光子”，该名称源自希腊语“光”与用于电子的词尾-on的组合。所以光子是一种“光粒子”。

不对劲

然而，这一切并不意味着这里一切都清楚了。因为如果你将光视为粒子流而不是波，那么光电效应之类的东西就可以很好地解释......但是衍射呢？毕竟，只有光是波而不是粒子才能解释这一点。正确的？后来在量子物理学和光的波粒二象性中找到了这个悖论的解决方案。但我们下次再讨论这个问题。

光子是标准粒子模型中的玻色子。也就是说，它具有整数自旋。这意味着它不是物质的组成部分，而是粒子之间相互作用的载体。此外，光子作为玻色子，可以处于相同的量子态，这意味着可以有许多光子“做同样的事情”。这就是光子激光成为可能的原因。但建造电子激光器是不可能的。

此外，光子还有其他一些非常有趣的特性：它不带电荷，因此不会感受到电磁力。光子没有质量，因此有一段时间人们认为它感受不到重力。然而，爱因斯坦的广义相对论改变了这一点。今天我们知道光子可以很好地感受到重力。

如果它没有电荷或质量，那么光子中到底有什么？简单来说，它是能量和一组特定的特征。光子携带的能量可以转移到原子上，例如，当与原子碰撞时。还记得躺在沙滩上阳光温暖身体的感觉吗？正是到达你的光子导致你的原子振动得更快，从而使它们升温。

此外，光子具有动量。也就是说，他们能够推动物体。这可以相对容易地验证。例如，一些航天器设计使用由激光驱动的“太阳帆”。

光子除了是电磁辐射（可见光、无线电波、微波、X 射线、伽马射线等）的组成部分之外，还负责电磁相互作用。根据量子理论，每当两个粒子发生电或磁相互作用时，它们就会交换光子。如果我们有两个电荷并且它们相互排斥，那么它们不会立即这样做。负责排斥的光子必须以光速从一种电荷传播到另一种电荷。

光子总是以光速在真空中移动。这意味着如果你是一个光子，那么宇宙对你来说将会非常非常奇怪......

光子没有时间

首先，光子没有时间。从一个原子发射到被另一个原子吸收的那一刻起，即使它们相距一亿光年，它所经历的主观时间也将等于 0。光子在两个原子之间传播的距离，以单位为单位测量它的参考系，对于长度减少来说，它将恰好是...0。

对于外部观察者来说，光子在其存在的整个过程中就像“冻结”一样。光子从发射的那一刻起就不会经历任何变化。直到再次消失……

光子的另一个有趣的效应是，即使它们没有质量，它们也会改变发射或吸收光子的系统的质量。根据爱因斯坦的说法，质量和能量之间的等价意味着，如果发射光子，就会失去一些质量，反之亦然。当然，这种质量损失或增加可以忽略不计。。

因此，光子，最著名的玻色子，是电磁辐射的组成部分和电磁相互作用的媒介。有些光子的寿命很长，例如在太空中生活了数十亿年的恒星发出的光子。其他光子，例如您的身体现在发出的光子（红外光子），其寿命非常短。如果你所在房间的墙壁距离你几米，光子只会持续大约 0.00000001 秒。之后他就会再次消失。

善与恶

红外光子可能非常有害。如果它们很多，它们甚至可能会烧伤你。在壁炉附近取暖时，您在手上感受到的热量是红外光子。冬天躺在铸铁蒸汽散热器上的猫也会接收到红外光子。

紫外线光子危险得多。它们每一个都拥有如此强大的能量，很容易“破坏”你DNA中的核酸，从而导致癌症。这是伽马辐射的危险之一（伽马辐射的能量甚至比 X 射线还要高，X 射线也可能导致癌症）。

光子可以是长寿命的，也可以是短寿命的，可以是危险的，也可以是无害的。但宇宙中大多数相互作用的发生完全归功于它们。所有化学反应都是电相互作用（即光子交换）的结果。同样的道理也适用于让你行走的力量，你用它按下电脑按键，电子通过电线移动的事实，你可以呼吸的事实（化学反应），你认为的事实......光子无处不在！

然而，由于典型的可见光光子的能量约为 0.000000000000000001 J，因此我们从未意识到它们实际上存在。

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