光子是粒子還是能量?它有質量嗎?

2020-11-22 關注未來世界

1900年,普朗克在研究黑體輻射時,假設光的能量是可以量子化的。1905年,愛因斯坦在解釋光電效應時,也做了同樣的假設,提出E=hν。康普頓在1923年又用了類似的假設來解釋X-射線的電子散射實驗。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。所有適用於有質量粒子的理論,如果簡單地引申到質量為零的情況,是根本無法得出正確結論的。所以,光子物理在物理學中可以說是自成一派。

光子作為無質量粒子,與普通物質之間的差異不僅僅在於質量有無,它有許多基本物理性質堪稱「獨門絕技」,例如,光子的能量與動量色散的關係、自旋與自旋投影等,此外,光子與普通粒子的玻色-愛因斯坦統計上也有所差別。

光子不是質量為零,而是沒有質量

在粒子物理學的標準模型中,光子是規範玻色子(傳遞基本相互作用的媒介粒子)的一種,它既沒有質量,也沒有電荷。在這裡需要強調的是,「沒有質量」與「質量為零」不是同一個概念,同樣,「沒有電荷」和「電荷為零」也不是同一個概念。所以,所謂光子是無質量粒子的說法,其實不夠準確。

光子作為能量可以計數,但作為粒子未必可以計數

光子可以像有質量粒子那樣計數嗎?光子的概念來自光場能量的量子化,量子化的能量是光場唯一的可計數的物理量。光在某些實驗中展現出類似粒子的特性,不代表光子可以像有質量的粒子那樣計數。談論光子的可計數性,大多依據光學實驗中光-固體作用後留下的斑點,以及雙縫幹涉實驗等,但這些實驗中很多條件都是研究人員根據理想化的條件設定的,所以光子究竟是否能像有質量粒子那樣計數,還值得推敲。

結語

人類始終與光相伴,而「光子」這個概念才提出來不到100年。關於光,我們的認識或許還只是在初級階段。

參考資料:汪克林, 曹則賢, 光子真是簡單的無質量粒子嗎?——光子概念再剖析, 物理 2019, 11.

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