如果光子具有靜止質量,那麼這個世界會有何不同?

2020-12-05 萬象經驗

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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。這個經典的電磁場理論又促進了20世紀物理學的偉大發展,即相對論和量子力學的建立,這兩大理論是現代物理學所依賴的支柱。無論是在麥克斯韋電磁理論還是在愛因斯坦狹義相對論中,恆定光速的假設意味著光子的靜止質量必須為零。

1905年,愛因斯坦為了解釋光電效應提出了光子的假設,並於同年提出了著名的狹義相對論。狹義相對論給出了一個具有有限靜止質量的粒子的速度與能量的關係:能量增加會導致速度增加,但是永遠無法到達光速,因為這需要無窮大的能量。對於靜止質量為零的粒子來說,其速度永遠是光速,而不管其能量的高低,光子就是這種靜止質量為零的粒子。

光子攜帶能量和動量在空間中傳播,但光子的靜止質量被假定是零,做出該假定的原因是光子無法靜止下來。因為如果它能靜止下來的話我們必定能捕獲它,並對它進行稱重。近一個世紀以來,麥克斯韋電磁理論、狹義相對論在許多實驗的成功導致了光子無靜止質量這個概念被廣泛接受。

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。其實我們還可以有第三種解釋,光子具有靜止質量,這樣當遙遠星系的光子到達我們的視野之前,它就已經停下來了。

事實上,光子具有靜止質量的各種物理效應是實驗中檢驗它的標準。原則上,在麥克斯韋電磁理論中加入有限光子靜止質量之後,就會產生各種物理效應。這就成了普洛卡重電磁場方程組。

根據普洛卡重電磁理論,光子具有靜止質量的直接效應就是真空中光速和頻率的依賴性,也就是說不同頻率的電磁波在真空中將有不同的速度。這種現象稱為真空中光速的色散效應。物理學家可以測量真空中不同頻率的電磁波速度差異來確定光子的靜止質量。不過從過去的實驗來看,由於各種介質的幹擾,這個實驗並沒有取得重大的進展。

考慮光子具有靜止質量後,我們熟知的庫倫反平方定律將會出現偏離,這將導致帶電導體的靜電荷不再全部集中於表面,內部也會出現自由電荷。因此實驗檢驗庫倫反平方定律的偏離程度能確定光子的靜止質量。眾所周知,在麥克斯韋電磁理論中,電磁波是一種橫波。如果考慮到光子的靜止質量,將會出現第三種效應,那就是縱向電磁波的出現。

因此,可能的情況就是光子具有一個非常微小的靜止質量,遠遠小於中微子的質量,但是的確不為零。不過,到目前為止,實驗結果只給出了質量上限,並沒有證實光子具有靜止質量。

相關焦點

  • 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,那麼整個現代物理學體系將會怎麼樣?
    「質量」這個概念究竟是什麼意思?在我們的一般認知裡,「質量」是物體所具有的一種物理屬性,是物質的量的量度。那麼粒子的質量指的是什麼呢?光子如果存在質量又會對現代物理體系產生什麼影響呢?如果物體具有靜止質量即 m0 ≠0,則光子的運動質量 m0/0 將趨於無窮大,因此不可能達到光速。
  • 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。
  • 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。
  • 光子的靜止質量為零,為什麼還能被黑洞吸引?
    那麼引力的本質是什麼?在科學上存在四大基本作用力:電磁力、強相互作用力、弱相互作用力、引力。而萬物之間都有引力的存在,引力也是具有質量的物體之間相互靠近的一種趨勢。普朗克首次提出了電磁波攜帶的能量是量子化的,不同頻率電磁波的能量量子為hν,而且他認為光子一份一份的能量單元仍然是一種振動的波,但是愛因斯坦則認為這一份一份的能量單元不是那麼簡單的,當時只知道光是一種電磁波。
  • 光子可能有質量
    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!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。
  • 如果光子沒有質量,它是怎麼受到引力的影響的?
    現在,儘管動量p和速度v仍是同一方向,但他們不再是普通的藉由質量m的正比關係。我們能做的就是通過粒子的相對論質量mrel關聯它們 當粒子處於靜止狀態的時候,其相對論質量為「靜止質量」,即mrest 的最小值,此質量對於所有相同粒子都是相同的。舉例來說,所有質子都有相同的靜止質量,而且所有電子也有相同的靜止質量,中子也不例外,這些質量可以很容易就查到。
  • 光子之謎:光子到底有沒有質量?
    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
  • 華中科大羅俊教授重新確定光子靜止質量上限
    荊楚在線消息(湖北日報) 記者梁均貴、宋效忠報導:華中科技大學教授重新確定光子靜止質量上限,有業內人士認為:光子靜止質量為零是經典電磁理論的基本假設之一。但有些科學家則認為,光子可能有靜止質量。如果實驗最終檢測到光子存在靜止質量,那麼有些經典理論將要有所變化。
  • 什麼是光子的質量?
    什麼是光子的質量?這個問題分為兩個部分:光子有質量嗎?畢竟它有能量,能量是相當於質量的。因此,p = mrelv ,當粒子靜止時,它的相對質量有一個最小值,被稱為「靜止質量(rest mass)」 mrest。同一類型粒子的靜止質量總是相同的。例如,所有的質子擁有完全相同的靜止質量,因此所有電子也一樣,所有中子也一樣。當這個粒子被加速到更高速度的時候,它的相對質量將會無限增加。
  • 從理論與實驗角度解讀:為什麼光子沒有靜質量?
    這個世界真的會存在沒有靜質量的物質嗎?還有靜質量有沒有的區別與意義又是什麼呢?例如,如果光子具有靜質量,那麼真空光速將不再是常數,量子電動力學將不再具有規範不變性,電荷守恆也無法自動保證,甚至還會影響到麥克斯韋方程組的成立。
  • 光子是什麼?光子的質量是多少?為何總被誤解?
    引言光總是那麼神聖而又神秘,所以人類對光的探索從未停止,直至今日,我們仍然無法準確地描述光到底是什麼。我們通常說光具有波粒二象性,給人的第一感覺就是光是個粒子,那人們自然要問了,光有沒有質量呢?如果有質量,按照愛因斯坦的理論,光速下的光子質量是不是無窮大呢?但為什麼光照射到身上沒有任何感覺呢?那麼今天我們就來好好聊一聊光究竟是什麼。光的粒子性誤區現在人們經常說光子是一種規範玻色子,靜止質量為零,是62種基本粒子之一。這確實會讓人感覺光是一個一個的小顆粒,但實際情況並非如此。
  • 網友問:如何理解「光子靜止質量為零」這一現象?
    光子沒有靜止質量,只有動質量,而且還擁有能量和動量。剛接觸「光子沒有靜止質量」這個概念時,大部人都難以理解,因為這和我們常識違背,實在想不出沒有質量的模型,最後我們還是得接受這個奇怪的觀點。「沒有靜止質量」不難理解,主要是我們得改變自己的認知,量子力學描述:光子沒有靜止質量,但是擁有能量和動量,並遵循質能守恆和動量守恆,還參與電磁相互作用和萬有引力作用。
  • 光子跑得那麼快,想慢都慢不下來,它的能量從何而來?
    而從質速關係方程中,我們又可以得知另外一個事實,那就是沒有靜止質量的物體,會始終以恆定的光速運行。因為如果一個物體不具有靜止質量,那麼只要它的速度不是光速,那麼它的動質量就會為零,這也就意味著它的能量為零。
  • 為何光子的靜質量為零?
    針對於這個問題我說說我的觀點。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。光子是自旋為1的規範玻色子,因而輕子數、重子數和奇異數都為零。
  • 構成光的基本微粒——光子沒有靜止質量,也不帶電的根本原因
    這也能解釋為什麼偉大的愛因斯坦會說出至理名言「質量就是能量,能量就是質量」。且我還論證了對於宇宙中的每個光子(構成光的基本微粒),都是由其光源處的能量生成的!這也能解釋為什麼光子沒有靜止質量,即不存在靜止的光子,因為產生光子的能量靜止時,還在光源裡,尚未形成光子,且光子誕生後,不存在與它相對靜止的參照系,否則,就不存在光子了。
  • 光有質量嗎?我們能否稱量光?物理學家帶你探索光子的秘密
    什麼是光子的質量? 這個問題分為兩個部分: 光子有質量嗎?畢竟它有能量,能量是相當於質量的。 光子在傳統上被認為無質量。
  • 如果所有的無線波實質化,我們的世界會是什麼樣的景象?
    如果所有的無線波實質化,我們的世界會是什麼樣的景象?無線波就是電磁波,電磁波具有波粒二象性,既可以認為一種粒子,也可以認為是波。而我們之所以能夠看到整個世界,關鍵之處就在於可見光波。我們通過對可見光波的解讀,進而看到整個世界。
  • 有質量才有引力,光子沒有質量,但黑洞能把光吸住,這不矛盾嗎?
    引力的本質  在愛因斯坦的廣義相對論中,把引力描述為:引力是質量扭曲時空的幾何現象,而且還指出物體會使周圍的時空發生彎曲,如果物體質量大,那麼造成的時空曲率就越大,反之,物體質量小,所造成的時空曲率就越小
  • 光沒有靜止質量,怎麼被黑洞吸引?它動質量與希格斯玻色子有關嗎
    光子具有能量這大家都知道,光線經過大質量天體附近是會被吸引這大家也知道,但光子的靜止質量為零,那是怎麼受到引力彎曲的?聽說光子又有動質量,那麼它的動質量又是怎麼來的?這是一個非常有趣的話題,因為光從來都不走彎路,所以黑洞讓光線走「彎路」這個說法是不正確的,那麼黑洞又如何讓光線走起了「彎路」呢,很多朋友認為認為是引力所致,其實這並沒有找到真正的根源,如果要理解這個「引力」彎曲光線的過程,我們必須要來理解一下廣義相對論廣義相對論認為質量能夠改變時空的結構,用我們通俗的話來說就是質量彎曲了時空