光子不用加速，每秒就能飛30萬(wàn)公里，它的動(dòng)力是從哪來(lái)的？

光子是宇宙中最熟悉的陌生人，當(dāng)你按下手電筒的開(kāi)關(guān)，一束光瞬間劃破黑暗，在這一剎那無(wú)數(shù)個(gè)光子從燈泡中噴涌而出，以每秒 299,792,458 米的驚人速度向前狂奔，這甚至快得讓我們失去了概念：一秒鐘，光可以繞地球赤道 7.5 圈，哪怕是去月球，也只需要 1.3 秒。

然后這里有了一個(gè)困擾了無(wú)數(shù)人的直覺(jué)悖論：在這個(gè)宇宙中，任何運(yùn)動(dòng)似乎都需要“代價(jià)”，但是光子既沒(méi)有引擎，也沒(méi)有油箱，它憑什么一出生就擁有宇宙極速？它是如何在長(zhǎng)達(dá)138億年的飛行中，不消耗一絲一毫動(dòng)力，永遠(yuǎn)保持這個(gè)速度狂奔的？它的動(dòng)力到底從哪來(lái)？

今天我們將拋開(kāi)枯燥的公式，潛入物理學(xué)的底層邏輯，揭開(kāi)光子那“無(wú)須動(dòng)力”的極速之謎。

我們之所以會(huì)問(wèn)“光子的動(dòng)力從哪來(lái)”，是因?yàn)槲覀兊拇竽X被牛頓力學(xué)給“格式化”了，在我們的日常經(jīng)驗(yàn)里，運(yùn)動(dòng)分為三個(gè)階段：靜止，加速，維持。

如果我們把光子想象成一顆微小的子彈，那它簡(jiǎn)直就是個(gè)怪物：它沒(méi)有加速過(guò)程，也沒(méi)有能量損耗，但真相是：光子根本不是物質(zhì)實(shí)體，它甚至沒(méi)有“質(zhì)量”，經(jīng)典力學(xué)中，力、質(zhì)量和加速度的關(guān)系沒(méi)法用在光子身上。

你不能用推箱子的邏輯去推光子，光子不需要?jiǎng)恿?lái)“維持”速度，因?yàn)樵谡婵罩袥](méi)有摩擦力，光子也不需要?jiǎng)恿?lái)“加速”，因?yàn)樗鼜恼Q生的那一刻起，就是最高速度。

要理解光為什么能跑這么快，我們必須回到19世紀(jì)，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)，光本質(zhì)上是一種電磁波，想象一下水波，你扔一塊石頭進(jìn)池塘，漣漪會(huì)向外擴(kuò)散，水波之所以能動(dòng)，是因?yàn)樗肿拥纳舷抡駝?dòng)帶動(dòng)了周?chē)乃肿印?/p>

光波比這更高級(jí)，它不需要水，也不需要空氣，光是變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)交織而成的，法拉第電磁感應(yīng)定律和安培定律告訴我們：變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，這是一個(gè)完美的閉環(huán)：光子在飛行時(shí)，它的電場(chǎng)在變化，這立刻生出了磁場(chǎng)，新生的磁場(chǎng)也在變化，又立刻生出了電場(chǎng)。

電場(chǎng)推著磁場(chǎng)，磁場(chǎng)推著電場(chǎng)，左腳踩右腳，右腳踩左腳，所以光不需要外部的引擎。光本身就是一種自我維持、自我再生的波動(dòng)機(jī)制，這就解釋了它為什么能飛，但還沒(méi)解釋它為什么非要是 30萬(wàn)公里/秒？為什么不是慢悠悠的 100 公里/秒？

要回答光速本身，我們需要觸碰現(xiàn)代物理學(xué)的圣杯：希格斯場(chǎng)，這是 2012 年才被實(shí)驗(yàn)徹底證實(shí)的理論。

想象一下整個(gè)宇宙空間并非空無(wú)一物，而是充滿(mǎn)了一種粘稠的“糖漿”，這就是希格斯場(chǎng)，絕大多數(shù)基本粒子，比如電子、夸克，在穿過(guò)這層“糖漿”時(shí)，會(huì)與希格斯場(chǎng)發(fā)生相互作用，這種相互作用產(chǎn)生了阻力，這種阻力在宏觀上的表現(xiàn)，就是“質(zhì)量”。

電子在糖漿里游得很辛苦，所以它有質(zhì)量，跑不快，永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到光速，質(zhì)子更重，因?yàn)樗谔菨{里裹得更緊，但是光子是一個(gè)異類(lèi)：光子對(duì)希格斯場(chǎng)完全免疫。

它穿過(guò)這層宇宙糖漿時(shí)，就像幽靈穿過(guò)墻壁，不發(fā)生任何相互作用，不沾染一絲一毫的“阻力”，因?yàn)闆](méi)有質(zhì)量，光子不需要任何力來(lái)推動(dòng)它，在宇宙的底層邏輯里，任何沒(méi)有質(zhì)量的東西，都必須以宇宙的極限速度移動(dòng)。

這個(gè)極限速度，我們稱(chēng)之為光速，所以不是光子“努力”跑到了 30萬(wàn)公里/秒，而是因?yàn)樗皼](méi)有質(zhì)量”，它無(wú)法慢下來(lái)，光速是這個(gè)宇宙中無(wú)質(zhì)量粒子的“默認(rèn)速度”，如果有一天你也沒(méi)了質(zhì)量，你也會(huì)瞬間被彈射到光速，不由自主，無(wú)法剎車(chē)。

讓我們來(lái)看看光子誕生的那一瞬間。

比如你點(diǎn)燃一根火柴，原子核外的電子吸收了能量，從低能級(jí)躍遷到了高能級(jí)，電子處于高能級(jí)是不穩(wěn)定的，它想回到底層去，當(dāng)電子跳回低能級(jí)時(shí)，多余的能量必須釋放出來(lái)，這份能量就變成了一個(gè)光子，在這個(gè)過(guò)程中，光子并不是像火箭那樣，從 0 加速到 100，再加速到 30萬(wàn)。

它是“瞬間”出現(xiàn)的，它不需要?jiǎng)恿?lái)起步，由于它是能量的載體，是波包，它一旦存在就只能以光速存在，如果它減速了，它就不是光子了，對(duì)于光子來(lái)說(shuō)，存在即光速。

如果上面的解釋還不夠震撼，愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論將提供一個(gè)更終極的視角：從光子的角度看，它根本就沒(méi)有“飛行”。

相對(duì)論告訴我們，速度越快，時(shí)間流逝越慢，空間距離越短，當(dāng)一個(gè)物體的速度達(dá)到光速時(shí)：時(shí)間膨脹達(dá)到無(wú)窮大，時(shí)間停止了，尺縮效應(yīng)達(dá)到無(wú)窮大： 距離變成了零。

這意味著什么？

假設(shè)一個(gè)光子從 138 億光年外的遙遠(yuǎn)星系飛向地球，在我們地球人看來(lái)，這顆光子在茫茫宇宙中跋涉了 138 億年，歷經(jīng)滄桑，好不容易才飛進(jìn)我們的望遠(yuǎn)鏡。

但是在光子自己的視角里：它離開(kāi)那顆恒星的一瞬間，就已經(jīng)到達(dá)了地球，中間這 138 億光年的距離，對(duì)它來(lái)說(shuō)被壓縮成了0，這 138 億年的時(shí)間，對(duì)它來(lái)說(shuō)是 0 秒，既然路程是 0，時(shí)間是 0，那還需要什么動(dòng)力呢？

所以對(duì)于光子來(lái)說(shuō)，它的出生地和終點(diǎn)站是重疊在一起的，它不需要推進(jìn)器，因?yàn)樗X(jué)得它根本就沒(méi)有動(dòng)，所以光子“不需要?jiǎng)恿Α边@個(gè)問(wèn)題的本質(zhì)，是我們用人類(lèi)那緩慢、沉重、受時(shí)間束縛的視角，去揣測(cè)一個(gè)超越了時(shí)間的幽靈。

既然光子飛行不需要消耗能量，那是不是意味著光是永恒的？

不完全是，雖然光子不需要?jiǎng)恿?lái)維持速度，但它會(huì)因?yàn)橛钪媾蛎浂ツ芰?，這里要區(qū)分清楚：光的速度和光的能量，當(dāng)光子在膨脹的宇宙空間中飛行時(shí)，空間本身在拉伸，光子的波長(zhǎng)也被拉長(zhǎng)了，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，頻率變低，能量就變小了，這叫“宇宙學(xué)紅移”。

大爆炸遺留下來(lái)的光子，最初是能量極高的伽馬射線，經(jīng)過(guò) 138 億年的空間拉伸，現(xiàn)在已經(jīng)變成了能量極低的微波，它們依然以光速飛行，但已經(jīng)從“生龍活虎”變成了“奄奄一息”。

最后讓我們重新審視一下這個(gè)問(wèn)題，我們問(wèn)：“光子為什么不需要?jiǎng)恿?？”這潛臺(tái)詞是覺(jué)得我們這種“有質(zhì)量、需要推動(dòng)”的狀態(tài)才是正常的。

但也許光的狀態(tài)才是宇宙的“出廠設(shè)置”，在宇宙大爆炸的最初瞬間，所有粒子都沒(méi)有質(zhì)量，大家都以光速狂奔。世界是一片純粹的光的海洋，是后來(lái)希格斯場(chǎng)的冷卻，才讓電子、夸克這些粒子“凝結(jié)”了下來(lái)，獲得了質(zhì)量，被迫減速，最終聚合成原子、星球、和我們。

我們這些由于質(zhì)量而變得遲緩的物質(zhì)，才是宇宙中的異類(lèi)和沉淀，光子作為宇宙的信使，它從未被禁錮，它不需要?jiǎng)恿?，因?yàn)樗旧砭褪悄芰康幕恚恍枰铀?，因?yàn)樗砹艘蚬傻臉O限。

下次當(dāng)你看到陽(yáng)光灑在窗臺(tái)上，請(qǐng)記得那不是一束遠(yuǎn)道而來(lái)的客人，那是宇宙最古老、最純粹的自由，跨越了時(shí)空的屏障，瞬間抵達(dá)了你的眼眸。