光子是怎么达到光速的？它们的动力从何而来？

在已知的基本粒子中，光子显得很特别，因为它们总是会以光速前进，而这种速度也是人类目前所发现的物质运动速度的极限。那么问题就来了，光子是怎么达到光速的？它们的动力从何而来呢？下面我们就来聊一下这个话题。

在19世纪之前，人们普遍认为光其实就是一种电磁波，它只有波动性，然而这种理论却解释不了一种特殊的现象——光电效应。顾名思义，所谓的光电效应就是指光产生电的一种现象，其原理就是某些物质内部的电子在吸收了光线中的能量之后逸出，然后就产生了电流。

根据经典电磁理论，光的能量取决于光的强度，并且还可以叠加，也就是说，如果光线足够强，又或者光照时间足够长，那么物质内部的电子就肯定可以吸收到足够的能量，进而产生光电效应。然而实际情况却并非如此，科学家发现，在频率不足的情况下，不管光线有多强、光照时间有多长，光电效应都不会发生。科学家为此困扰了很长一段时间，直到1905年，爱因斯坦才对其进行了合理的解释，他认为光的能量并不是连续的，而是可以细分成一份一份的，每一份能量就是一个光子，其能量大小可用公式“E = hv”来描述（其中h为普朗克常量，v则代表光的频率）。

爱因斯坦指出，光子是光的最小单位，它是具有粒子性的，由于光子的能量只与光的频率有关，而电子每一次只能吸收一个光子的能量，因此在光的频率不足时，电子就始终无法得到足以让它逸出的能量，光电效应自然也就无法产生了。爱因斯坦的理论随后通过了科学家的验证，他也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖，从此之后，人们知道了光子同时具有波动性和粒子性（即波粒二象性），因此我们有必要分别从波动性和粒子性来展开讨论。

从波动性的角度来讲是比较简单的，因为光子可以看作是量子化的电磁波，而在我们的宇宙中，电磁波的传播是不需要动力的，而根据麦克斯韦电磁场方程组，变化的电场会在空间中激发出磁场，而变化的磁场又会在空间中激发出电场，如此交替进行，就产生了电磁波，因为电磁场的建立速度是光速，所以电磁波的传播速度也是光速。从粒子性的角度来讲就要稍微复杂一点了，我们先来看一张图。

上图为包括了所有已知基本粒子的粒子物理标准模型，其右上角的“希格斯玻色子”就是大名鼎鼎的“上帝粒子”，而之所以会有这种称号，是因为“希格斯玻色子”是“希格斯场”的场量子化激发，而后者则在宇宙中无处不在，凡是可以与其发生耦合作用的基本粒子都会被赋予静止质量。然而光子却不会与“希格斯场”发生耦合作用，所以光子就没有静止质量，换句话来说就是，光子的静止质量为零。

根据狭义相对论，如果一个静止质量为零的基本粒子的运动速度低于光速，那么它的能量就为零。很明显，光子的能量是不可能为零的（实际上，能量为零的基本粒子在宇宙中根本就不可能存在），据此我们可以得出，由于光子的静止质量为零，所以它们就只能以光速运动。值得一提的是，粒子物理标准模型中的“胶子”也不会与“希格斯场”发生耦合作用，其静止质量也为零，因此它们也只能以光速运动，除此之外，科学家们假想中的“引力子”也是属于这种基本粒子。

综上所述，无论是从波动性的角度还是从粒子性的角度来讲，我们都可以得出一个结论，即光子一旦产生，其速度就是恒定的光速，并没有什么“达到光速”的加速过程，而由于在光子的传播过程中是不需要动力来进行驱动的，所以也就谈不上“动力从何而来”了。好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见。（本文部分图片来自网络，如有侵权请与作者联系删除）来源：魅力科学君