光子可能有質量

2020-12-05 大科技雜誌社

物理學告訴我們，光子是沒有靜止質量（下面簡稱質量）的，可有許多研究者經過分析，宣布：光子很可能有質量！

愛因斯坦的假設也許錯了

光子的概念首先是愛因斯坦提出來的，愛因斯坦認為，光波具有粒子性，這種粒子就叫光子，他還假設，光子的速度是宇宙中最快的速度，用c來表示。這種假設只是他的一種硬性規定而已，並沒有什麼理由，也許是他覺得宇宙中沒有比光子在真空中的運動速度再快的速度了。

由於有了這個假設，根據理論公式，愛因斯坦得出了光子的靜止質量為零的結論。這個結論讓一些科學家感到懷疑，一種沒有質量的粒子還真讓人難以接受。於是這些科學家設想了另一種可能性——

也許宇宙中有個最大速度，但光子的速度，即使是在真空中的速度，也不一定能達到最大速度，畢竟我們還不知道宇宙中的最大速度到底是多少，有可能比光速大，有可能就是光速。如果光速就是宇宙中的最大速度，那麼從理論公式推導，光子的質量就是零；若光速小於宇宙的最大速度，計算的結果，光子的質量就不是零了。

光子質量是否為零，決定了我們所掌握的很多物理定律是否正確，因此這可不是科學家隨便尋開心，假設了一些東西來玩。既然說光子質量可能不為零，那就得拿出證據來，比如的確測量到了光子的質量。

讓光子參加長跑比賽

其實自1930年以來，就不斷有科學家提出，光子很可能是有質量的。既然光子的質量不一定為零，那麼如果光子有質量會怎麼樣呢？

最好是它表現出的效應能讓我們測出它的質量是多少，給我們一個質量大小的範圍也行啊。

如果光子有質量，不同能量的光子，速度就會不同，也就是不同頻率的光子會以不同的速度前進，高頻率的光子要比低頻率的光子速度快。說起來很簡單，但光子的質量非常非常小，而高頻率的光子與低頻率的光子之間的速度差異就更小了，要比較兩個質量不同的光子非常細微的質量差異，簡直難比登天！

別急，科學家想到了一個巧妙的法子：如果讓許多光子跑很長的距離，若它們的確有速度差別，我們就可以看出誰快誰慢，速度相差多少也可以計算出來了。這就像速度差不多的汽車在跑道上跑一圈，幾乎看不出差別，但是讓它們跑上100圈就看出速度的差別了。

但對於光這麼快的速度，只能利用宇宙範圍的距離，才能看出它們的速度差異。科學家想到了宇宙中的脈衝星，脈衝星是一種不斷從磁極向外輻射電磁波的中子星，由於它向外輻射電磁波的磁極與自轉軸不在同一直線上，電磁波輻射出去的效果就像在地球上有人用雷射探照燈向太空照一樣，於是快速自轉的中子星發射的電磁波經常會定期地掃過地球。在觀測脈衝星的過程中，科學家經常是先觀測到高頻電波，之後低頻電波才來到。這說明低頻電波確實存在速度滯後的現象。

但是就此說光子有質量，還言之過早。一些科學家認為，宇宙空間的稀薄物質對於不同頻率的電磁波影響也不同，往往是低頻電磁波受影響最大，因此我們現在不能完全判定光子有質量。

光子決定了電磁場的疆域

一計不成，再來一計。科學家想到了從電磁場的角度檢驗光子是否有質量。

根據物理學上的庫侖定律，兩個電荷之間的作用力與兩電荷之間距離的平方成反比關係。根據這種關係，只要電荷的質量不為零，不論兩電荷之間距離有多遠，兩者之間的作用力都不可能是零，因此電磁場的作用範圍會是無限大。

但無限大這個概念只是個想像的概念，現實中根本就不存在無限或無窮的情況，就連我們的宇宙也不是無窮大的。因此，電磁場的作用範圍不可能無限大，並且根據電磁學理論分析，雖然在庫侖定律公式中沒光子什麼事兒，但由於電磁作用是靠光子來傳遞的，只有光子質量為零，電磁場的作用範圍才有可能是無限大。反過來，由於電磁場的作用範圍並不是無限大，我們就可以推論，光子的質量就不可能為零。

這種說法是有根據的，因為粒子物理學中就有個公式，表示的是：力的作用範圍與傳遞力的粒子質量成反比。拿中子與質子之間的強作用力來說吧，這種強作用力是由一種粒子來傳遞的。1930年代，科學家就預測傳遞強作用力的粒子有質量，質量大約是質子質量的1/10。到了1940年代，傳遞強作用力的π介子找到了，它的實際質量與預測質量很接近。這就驗證了力的作用範圍與傳遞力的粒子質量成反比的說法，

由此可以推測，如果電磁場的作用範圍不是無限大，那麼光子就是有質量的，並且光子的質量越大，電磁場的範圍就會越小。

光子質量非常非常小？

在新思路的指導下，科學家設計出新的電磁作用與距離的關係式，在這個關係式中，電磁作用除了與電荷、距離有關，還與光子質量有關。因此通過測量電磁場範圍大小，就可以求出光子質量了。

1971年，科學家根據靜電荷電場的作用力範圍大小情況，估計出光子的質量不會超過2×10-50千克。此外，利用地磁場的作用力範圍情況，科學家估測光子質量不會超過4×10-51千克，後來根據木星磁場作用力的觀測數據，進一步估測光子的質量不會超過8×10-52千克。

如今，科學家正琢磨著利用更大範圍的磁場作用情況，例如銀河系的磁場作用力範圍，來估算光子的質量。

但是通過這些關係，科學家只能不斷縮小光子質量的範圍，現在可以說，如果光子有質量，它的質量非常小，最新的估計是，光子的質量不會超過10-54千克。但是這個數據並不能肯定地告訴我們光子是有質量的，因為這個數太小了，完全可以作為測量誤差忽略掉，把光子質量看作零。

和光子不共戴天的傢伙

那麼光子到底有沒有質量？什麼樣的證據可以一錘定音地把光子質量的有與無確定下來呢？

第三條計策問世了。利用量子力學的知識，科學家找到了一個微妙的關係：磁單極子的存在與光子有質量是衝突的。就是說，如果有磁單極子存在，光子的質量必為零，如果磁單極子找不到，我們也只能說，光子很可能有質量。

這麼多年科學家找磁單極子找得很辛苦，但就是找不到，這是否說明光子很可能有質量，磁單極子根本就不存在？反過來，如果我們證明光子的質量確實不為零，那麼科學家就不要費力去尋找磁單極子了，因為這就等於說磁單極子根本就不存在。

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    光子是宇宙核心的內容，解開了光子之謎宇宙之謎也就有了很大的進展，誰能完整詮釋光子的屬性毫無疑問將獲得諾貝爾獎，愛因斯坦的質能方程現階段未經理論證實，只是用於實際生活中而已，光子屬於量子理論研究的範圍，量子理論如今有了很大的進展，已經不在那麼玄妙了，像那種什麼波粒二象性，薛丁格的貓這種有時代局限性的解釋只是表達不到位而已
  • 什麼是光子的質量?
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  • 光子具有靜止質量嗎
    19世紀最偉大的物理學成就之一就是麥克斯韋方程組的建立。
  • 如果光子有質量,整個物理學將徹底亂套!
    但幾乎沒有人去關心光子有沒有質量，這似乎只是物理學家們操心的事。問題的引出物理的關鍵理論建立在一個假說之上，這個假說就是「光子的靜止質量為0」。高中物理教材會告訴孩子們光子是無質量的粒子，事實上在物理學中對光子質量的定義是「光子在靜止狀態下質量為0」。因為光子始終在運動，它的運動速度在真空狀態下為299792458 m/s，也就是約30萬公裡每秒。
  • 光子是粒子還是能量?它有質量嗎?
    1926年，化學家劉易斯最先提出了「光子」這個概念。光子與普通物質的差異在近代物理學理論中，光子通常被看作是無質量的粒子。無質量與有質量之間有本質性的區別，所以光子的行為與有質量粒子有根本性的不同，可以說，光子與普通物質之間的鴻溝是不可逾越的。
  • 如果光子有質量,那麼整個現代物理學體系將會怎麼樣?
    光子如果存在質量又會對現代物理體系產生什麼影響呢？粒子模型與希格斯機制50年代，楊振寧從弱相互作用和電磁力入手，他們把電磁作用是由定域規範不變性所決定的觀念，推廣到不可對易的定域對稱群。揭示出規範不變性可能是電磁作用和其他作用的共同本質，從而開闢了用規範原理來統一各種相互作用的新途徑。
  • 如果光子有質量，那麼整個現代物理學體系將會怎麼樣？
    在20世紀60年代理論探索的開始階段，科學家研究強弱相互作用都會遇到困惑，也就是規範理論的對稱性禁止規範波色子有質量，也就是說受到規範對稱性，自然界中其他粒子是不能有質量的,而這個規定與現實的數據不符合。在玻色子中，光子和膠子是無質量的，而引力子和W和Z玻色子是有質量的。
  • 為何光子的靜質量為零?
    光子的靜質量為零，這是在相對論中定義的，一方面是為了數學上的自洽，也有推導過程。根據相對論的描述，光子由於無法靜止，所以它沒有靜止質量，所以光子只具有相對論質量。從波的角度看，光子具有兩種可能的偏振態和三個正交的波矢分量，決定了它的波長和傳播方向；從粒光子晶體結子的角度看，光子靜止質量為零，電荷為零，半衰期無限長。
  • 如果光子具有靜止質量,那麼這個世界會有何不同?
    儘管如此，許多物理學泰鬥對待光子靜止質量問題還是非常謹慎的，他們還是會在實驗上直接或間接地進行檢驗，試圖發現光子具有微小靜止質量。事實上，光子具有靜止質量並不違背相對論。光子具有靜止質量帶來的物理效應「為什麼夜晚的天空是黑暗的而不是明亮的？」，這個所謂的奧伯斯佯謬目前有兩種解釋：一是宇宙並不是無限大的，而是有限的；二是宇宙中的星系並不是相對靜止而是彼此遠離的，根據都卜勒效應，當光到達我們的視野時，它已經紅移到了人眼看不見的紅外波段了。
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  • 如果光子沒有質量,它是怎麼受到引力的影響的?
    量子力學引入了一種思想，即光可以看作是「粒子」的集合：光子。儘管光子是「停不下來的」所以靜止質量的概念並不適用於他們，我們可以通過僅認為他們沒有靜止質量並把這些粒子引進等式（1）的摺疊中。如此一來，等式（1）就給出了了光的正確表達式還沒什麼「壞處」。等式（1）現在能用來應用於物質和光的「顆粒」。它現在是一個完整而且很有用的公式。