眾多粒子中，為何光子的速度能達到光速，其他粒子為什么達不到？

現代物理學大廈有兩大基石：相對論和量子力學，分別統治著宏觀世界和微觀世界。

其中相對論與愛因斯坦幾乎是“等價”的，而量子力學也有愛因斯坦不可磨滅的功勞，足以可見愛因斯坦有多偉大！

在19世紀初，愛因斯坦相繼提出了偉大的狹義相對論和廣義相對論。其中狹義相對論表明，光速是宇宙的極限速度，也是任何信息，物質和能量傳播的最快速度。

一開始，“光速限制”這個思想很難被大眾接受，畢竟在人們的固有印象里，只要給一個物體不斷施加作用力，物體就會一直加速，這也是牛頓力學體系的其中一個精髓。

不過，在狹義相對論誕生之后，光速限制不斷被科學家在實驗中驗證，因此也逐漸被大眾接受。

但這里就有一個疑問，光速為何如此特殊？光是如何達到光速飛行的？而且是瞬間達到光速的？光子以光速飛行的動力到底是什么？

要想弄清楚以上問題的答案，我們需要深入到微觀世界一探究竟。

正式開始之前，先強調一點，其實光速并非指“光的速度”，光速是四維時空的固有速度，只與四維時空本身有關，可以認為是因果律傳遞的速度。只是人們一開始就用光的速度定義光速，因此這個習慣就延續下來了。除了光子之外，還有很多速度也是光速，比如說膠子，引力波等。當然，光在真空中的速度等于光速，并非偶然，也是必然的。

回到正題，要想弄清楚“光子為何必須以光速飛行”這個問題，首先我們需要了解粒子標準模型。

粒子標準模型中，有很多基本粒子，這些基本粒子經歷了很長時間才被發現的，最初的發現來自于盧瑟福的著名實驗“阿爾法粒子轟擊金箔實驗”，這個實驗讓我們更清晰地了解了原子模型。

之后物理學家們就“照葫蘆畫瓢”，不斷利用粒子之間的對撞，尋找新的基本粒子。結果也確實發現了很多基本粒子，多達上百種。

問題就來了，這么多的粒子感覺太混亂了，如何進行有效分類呢？物理學家們經過深入探索，終于建立了粒子標準模型，把看起來異常混亂的基本粒子進行了詳細分類。

簡單來講，所有基本粒子都屬于兩大類：費米子和玻色子。費米子其實就是我們平時所講的基本粒子，比如說電子，夸克等。而玻色子就是把費米子粘結在一起的基本粒子，作用就像膠水一樣。

打個比方，基本粒子就像磚頭，而玻色子就像水泥，磚頭通過水泥粘結在一起，就可以組建起高樓大廈，也就是我們平時看到的宏觀物體。

玻色子有四種，都屬于規范玻色子，分別是膠子，光子，玻色子和引力子，分別是強力，電磁力，弱力和引力的傳播子，這四種力也是自然界的四種基本作用力。四種規范玻色子就像膠水一樣粘結著各種費米子，而四種基本作用力就是靠這四種玻色子來傳遞的。強調一下，引力子目前還只是假象概念，并沒有找到引力子存在的證據。

具體來講就是，質子和中子等核子就是通過膠子來傳遞強相互作用（強力）粘結在一起的，形成原子核。而原子核和電子通過光子傳遞電磁力構成原子。

看到這里，伙伴們對微觀粒子的構成應該有個大致了解了，但這一切與光子以及光速又有什么關系呢？

關系很大！如果你深入思考，就會發現一個致命的問題：這么多的基本粒子，質量是從哪里來的呢？也就是說，到底是什么東西賦予了基本粒子質量呢？

根據粒子標準模型，所有的基本粒子應該都沒有質量，都應該以光速飛行。但實際上并非如此。

物理學家們通過計算發現，物質的質量99%都來自強力，也就是強相互作用。三個夸克通過強相互作用粘結起來形成中子和質子，質子和中子也是通過強相互作用粘結起來形成原子核，而原子核的質量幾乎等同于原子的質量，電子的質量太小了，幾乎可以忽略不計。

強相互作用是通過膠子傳遞的，具體是如何傳遞的呢？打個比方，就相當于夸克把膠子扔來扔去，在這個過程中可以表現出巨大的能量，也可以理解為把夸克或者質子中子束縛在一起的能量，這種能量其實就是核能。

按照愛因斯坦的質能方程，能量也可以表現為質量，因此物體99%的質量其實都源于能量。但問題是剩下的1%質量，到底是什么呢？

理論上分析，肯定是基本粒子本身！因為粒子標準模型中，除了基本粒子，就是基本粒子之間的相互作用。而粒子之間的強相互作用構成了物質99%的質量，那么剩下的1%的質量肯定來自基本粒子。

但是剛剛也提到了，粒子標準模型表明，基本粒子本應該是沒有質量的，為什么又有質量的呢？這些質量又是如何來的呢？

物理學家們提出了著名的希格斯機制，認為自然界還存在另外一種玻色子，標量玻色子，也就是希格斯玻色子，正是這種玻色子賦予了基本粒子質量。

什么是希格斯玻色子？簡單來講，宇宙中充滿了希格斯場，而希格斯場的擾動就會形成希格斯粒子。可以這么通俗理解，希格斯場就像是波瀾不驚的汪洋大海，而當大海受到擾動就會變得洶涌澎湃，也就濺起小水珠，而那些小水珠就相當于希格斯粒子。

希格斯粒子具體是如何賦予基本粒子質量的呢？

通俗理解，絕大部分基本粒子都會與希格斯粒子發生相互作用，在這個過程中發生減速，并獲得質量。也就是說，基本粒子本應該以光速飛行，但如今有了希格斯粒子這個“攔路虎”，基本粒子不得不慢下來，然后獲得質量，也就是靜質量。

但并不是所有的粒子都會受到希格斯粒子的阻攔，比如說光子和膠子就不會，因此，光子還有膠子就保持了本來應有的特性：光速飛行，而且一出生就以光速飛行，沒有任何加速過程，靜質量當然也為零。

是否與希格斯粒子發生相互作用，取決于基本粒子的固有屬性，比如說角動量，自旋等屬性。

當然，空口無憑，希格斯粒子真的存在嗎？確實存在，物理學家們在2012年就發現了希格斯粒子存在的證據，而希格斯本人也因此獲得了諾貝爾物理學獎！