從理論與實驗角度解讀：為什麼光子沒有靜質量？
2020-07-24 scottcgi
在量子力學與相對論中，我們經常能夠看到「光子沒有靜質量」的言辭，那麼什麼是靜質量呢？光子沒有靜質量到底是什麼意思呢？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？
本文，將會從理論與實驗兩個角度，去解讀光子與靜質量的關係，以及靜質量的意義與來源。
主題目錄如下：
- 為什麼光子沒有靜質量
- 靜質量從何而來
為什麼光子沒有靜質量
靜質量（Rest Mass）——也可以譯作剩餘質量，又稱不變質量（Invariant Mass），它通常是指物體靜止時，所擁有的質量，屬於物體內在的屬性，不隨參考系變化，在性質上與慣性質量一致。
首先，從理論上來說，光子沒有靜質量是一個假設，並且很多其它物理理論依賴於它。
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。
規範不變性（Gauge Invariance）——是拉格朗日函數和運動方程，在規範變換下保持不變的性質，即：變換後所有物理量和物理規律保持不變。而規範不變性要求規範場玻色子（如光子、膠子）的靜質量為0。
拉格朗日函數（Lagrangian Function）——是粒子系統的動能減去其勢能的運算。
規範變換（Gauge Transformation）——是對稱操作，具體是指場的相位變換。
相位（Phase）——就是一個波，其循環中的位置，如：波峰、波谷、或是峰谷之間某個點的標度。
事實上，假設是可以修改的，如果非要假設光子有靜質量也行，只不過受其影響的理論都要做出相應的修訂。而這些理論，目前在光子沒有靜質量的假設之上工作的很好，也得到了大量實驗的驗證。
那麼，為什麼最開始會假設光子沒有靜質量呢？這是源於狹義相對論的推理，可以從兩個方面來說：
第一，狹義相對論假設光速不變原理，也就會說光子在任意慣性系中都是光速運動，且不存在光速參考系的存在。
因此，光子就不存在靜止參考系（Rest Frame），即：不存在光子在其中靜止的參考系。所以，光子就不會靜止，進而假設光子沒有靜質量（Rest Mass），就是一種比較自然的選擇。
而靜質量，又稱為不變質量（Invariant Mass），是因為運動是相對的，那麼運動對應的動質量就是隨參考系變化的，於是不隨參考系變化的，自然就是不變質量了。
所以，相對論質量 = 變動質量（依賴參考系） + 不變質量（不依賴參考系），即：動質量 + 靜質量。
第二，狹義相對論的質能方程指出，E = mc^2（m是相對論質量）或等價於 E^2 = p^2c^2 + m^2c^4（p是相對論質量的動量，m是靜質量）。也就是說，總能量 = 內能（或稱勢能） + 動能，其中內能來源靜質量，動能來源動質量。
顯然，如果微觀光子靜質量為0，那麼上述方程得到：E = pc，而在經典電動力學中，宏觀光的能量和動量剛好滿足：E = pc，於是這樣假設剛好就統一了光在宏觀與微觀的方程。
其次，我們從實驗角度來看，並沒有證據表明，光子的靜質量為0。
實驗原理是，如果光子有靜質量，靜磁場的行為會有所變化，那麼通過測量星球的磁場，就可以推算出光子靜止質量的上限。
目前的實驗結果是，光子的靜質量上限在10^-51kg到10^-62kg之間，要知道已知最輕的有靜質量粒子——中微子，其質量是10^-36kg，光子比中微子要輕幾十個數量級。
那麼可以想像，光子的靜質量如果存在，是該有多麼多麼的渺小，以至於我們甚至都會懷疑——我們的實驗精度，是否真的能夠計算出光子的靜質量。
另外，實驗給出的是光子靜質量的上限（即不會超過的數值），而沒有給出下限（即不會低於的數值）——換言之，光子靜質量的下限就是不確定的，可能等於0。
最後，綜上可見，雖然光子沒有靜質量是一個假設，但在目前人類知識的範圍內，是極其確定的一個結論。
靜質量從何而來
從前文論述的相對論視角來看：
首先，動質量就是能量，是運動對應的能量，即動能。
顯然，運動是相對的，所以動能是相對的，但根據光速不變原理，光子的光速運動沒有相對性，因此光子的動能（或說動質量）並沒有相對性，而是絕對的。
因此，我們可以說，光子沒有靜質量，只有動質量，且攜帶「絕對動能」。
其次，一切都在運動，宏觀靜止，其靜質量來源物體的內能，也就微觀勢能。
而這個勢能，絕大部分都是由強力帶來的強相互作用，而相互作用其來源是基本粒子的運動，其本質還是動能，即動質量。
例如，強力的傳播子是膠子，它和光子一樣沒有靜質量，但它卻提供了原子核內部大約95%的質量來源，而這個質量在宏觀看來，就是原子核的靜質量。
那麼，基本粒子的靜質量來自何處？
答案就是——希格斯場的「阻力」，希場自發對稱性破缺，產生對基本粒子運動的阻礙，只要運動不抵達光速，就會表現出靜質量。
因此，沒有靜質量的基本粒子，都不會和希場發生相互作用，即：被希場降低速度到光速以下。
然而，膠子雖然不和希場作用，但會和其它物質相互作用——阻礙它們抵達光速，並讓上層結構（如原子、分子、複合結構），看起來是存在靜質量一般。
那麼，其實這些宏觀的「靜質量」，大部分都是能量，即基本粒子的動質量，而這也是宏觀場的「靜質量」來源。
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