光速不变原理

爱因斯坦被认为是20世纪最伟大的科学家，他几乎是以自己一人之力完成了相对论。不过，起初，爱因斯坦的这个理论并不叫作相对论。就拿狭义相对论来说，是爱因斯坦在1905年发表的，文章的名字翻译过来就是《论运动物体的电动力学》，后来他又补了一篇论文叫做《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》，这两篇论文共同构成了狭义相对论。

后来，有一位爱因斯坦的前辈科学家叫做洛伦兹，他为了区别自己和爱因斯坦的理论，就把爱因斯坦的理论称为为相对论。

没想到，这个叫法一下子就火了，一直沿用到现在。对于爱因斯坦来说，他其实并不认同这个叫法，他更赞同的是“协变论”。

实际上，相对论当中是存在着纯粹的“绝对”，这个“绝对”就是光速，在任何惯性参考下光速都是一样的。爱因斯坦正是以“光速不变原理”和“相对性原理”构建出了狭义相对论的框架。那么问题来了，光速为什么是不变的呢？

粒子物理标准模型

这个问题确实难倒了当时的物理学家，直到量子力学逐渐发展起来，并且科学家把狭义相对论与量子力学结合起来，发展出了量子场论，以量子场论为基础，构建出了一套“粒子物理标准模型”。

那这个“粒子物理标准模型”和“光速”到底有什么关系呢？

一直以来，物理学家都在尝试用一套理论来描述所有的物理学现象。“粒子物理标准模型”就曾肩负着这样的使命，科学家是尝试从微观粒子入手，把微观粒子分成了两大类：费米子和玻色子。

费米子遵守“泡利不相容原理”，它们不能占据相同的量子态，只能“一个萝卜一个坑”，它们的存在，使得物质具有了“体积”的属性，说白了就是如果把物质切分到最碎的“肉”，其实就是这些费米子。

当然，如果只有费米子，没有玻色子，那么物质就无法成形，就是一盘“散沙”。玻色子起到的作用就是“传递相互作用”，让费米子可以结合起来构成物质，说白了就是粘合剂。举个例子，夸克（费米子）通过胶子（玻色子）传递强相互作用结合成了质子或者中子，而质子（费米子）和中子（费米子）通过介子（玻色子）传递核力结合成了原子核，而原子核和电子（费米子）通过光子（玻色子）传递电磁相互作用结合成原子。

而物质的质量99%来自于传递强相互作用的能量等价于质量，剩余1%来自于粒子本身。

粒子的质量是由希格斯玻色子所赋予，通过希格斯场给粒子减速来使得粒子获得质量。而粒子原本最初的速度其实都是光速。也就是说，粒子传递速度无法突破光速这是由于希格斯玻色子所导致的。按照粒子物理标准模型的理论，只有“静止质量为0”的粒子才能拥有光速，也就是不会被希格斯场所减速。

按照理论，光子和胶子都是静止质量为0的粒子，因此，理论上他们都是具有光速的。

不过，科学家并不没有因为理论的预言就放弃了对“光子”质量的探索。许多科学家都做了测量光子质量的实验，当然结果是很难能够测准，只能勉强给出了一个质量上限。那如果有朝一日，光子静止质量不为0，那会出现什么问题呢？

现代物理学的崩塌

如果科学家真的测出了“光子静止质量不为0”，那这个实验结果必然会使得整个物理学界为之震动，并且领导实验的科学家也必然会被授予诺贝尔物理学奖。这是因为“光子静止质量不为0”意味着整个粒子物理标准模型都是错误的，那么近几十年物理学家的努力就将付之东流。

但结果要远比想象中还要糟糕，因为接下来有问题的就会是相对论。因为这个结果也会撼动相对论的基本假设“光速不变原理”，那么相对论也将会被证伪。换句话说，不仅仅是近几十年的物理学家都白干了，可以说是整个20世纪的物理学要垮掉一半。

不仅如此，“光速”问题同时也会造成“量子力学”和“麦克斯韦方程”出现问题，甚至根本无法解决这个问题，这会直接让人类的物理学倒退回到牛顿时代。

因此，如果光子具有质量，那么整个物理学将会乱套，人类将回到物理学的原点。