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。

其實質量的定義來源於牛頓，在最初，「質量」來自於牛頓力學中的第二定律：∑F=ma（物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質量成反比，且與物體質量的倒數成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同）

這個方程當中，加速度a是有良好定義的時空幾何量，牛頓第二定律則同時定義力F和質量m，並給出力和質量的測量方法。這裡的質量指的是慣性質量。慣性質量衡量了當物體受力時，它對於改變其運動狀態的抵抗程度。

質量的第二個定義則來源於牛頓引力理論，也就是俗稱的萬有引力定律：F=(G×M₁×M₂)/R²

在這個方程中，質量充當的則是「引力的荷」，類似於電荷在靜電理論當中的地位。由於兩種質量的物理意義不同，為了區別，這一質量被稱作引力質量。引力質量是由一個物體的引力通量(引力通量等於引力場在一個封閉表面的面積分)來決定的。

愛因斯坦提出了著名的等效原理，指出引力質量和慣性質量是等價的。這一性質亦是廣義相對論的出發點之一。

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？

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。由此提出了楊·米爾斯理論，構成了現代規範場理論的基礎。

美國科學家格拉肖最早提出用規範場的方法，將電磁作用與弱作用統一到一個數學框架中，1968 年 溫伯格、薩拉姆在格拉肖電弱統一模型的基礎上建立了電弱統一的完善理論，後來，格拉肖在電弱統一理論的基礎上，將量子電動力學、量子色動力學、費米點作用理論結合統一成描述弱、電、強三種相互作用的大一統理論。

人們還將規範場論延展，成功為電磁作用、弱相互作用和強相互作用及組成所有物質的基本粒子提供了一個統一的數學形式化架構——標準模型。這套理論精確地表述了自然界的三種基本力的實驗預測，它是一個規範群為SU(3) × SU(2) × U(1)的規範場論。

​在標準模型中，粒子如今可以分為組成物質的費米子以及傳遞力的玻色子。

傳遞力的（規範)玻色子有四種：傳遞電磁力的光子、傳遞引力的引力子、傳遞核強力的膠子、傳遞弱力的W 及 Z 玻色子，最後還有一種希格斯玻色子（上帝粒子）。

而費米子是依隨費米-狄拉克統計（是統計力學中描述由大量滿足泡利不相容原理的費米子組成的系統中粒子分處不同量子態的統計規律）、角動量的自旋量子數為半奇數（1/2，3/2…）的粒子。

費米子遵從泡利不相容原理，即不能兩個以上的費米子出現在相同的量子態中。根據標準理論，費米子均是由一批基本費米子構成的，而基本費米子則不可能分解為更細小的粒子。

基本費米子分為2類：夸克和輕子。而這2類基本費米子，又分為合共24種味（屬性）：

12種夸克：包括上夸克（u）、下夸克（d）、奇夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）、頂夸克（t），及它們對應的6種反粒子。·

12種輕子：包括電子（e-）、μ子（μ-）、陶子（τ-）、電中微子（νe）、緲中微子（νμ）、陶中微子（ντ），及對應的6種反粒子。

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。

光子無質量是因為電磁力能以一個U(1)規範理論解釋。但W和Z玻色子的質量，必須存在某些機制必須破壞SU(2)的對稱來給予。

那怎樣才能使一個無質量的粒子變得有質量呢?人們開始嘗試使用對稱性自發破缺機制去解釋,可是每個自發對稱性破缺的證明便伴隨著一個無質量無自旋粒子。

直至1964年英國物理學家希格斯(Higgs)和其他物理學家研究發現一種物理機制一希格斯機制。 在希格斯機制中,希格斯場引起自發對稱性破缺，並將質量予以玻色子和費米子。這可以解釋為什麼有些粒子有質量而有些粒子沒有質量。根據希格斯機制，基本粒子與希格斯場相互作用而獲得能量，但因此也產生了副產品——希格斯粒子。希格斯粒子是自旋為零的玻色子。因此,希格斯玻色子被認為是物質的質量之源,有「上帝粒子」之稱。

簡單理解來說，科學家通過實驗發現了光子和膠子是無質量的，但是引力子和W和Z玻色子是有質量的，那麼肯定就需要有一個理論來解釋了，這就是希格斯機制誕生的原因。

基本粒子通過希格斯機制獲得了質量，而一部分粒子沒有任何影響還是零質量。而玻色子中的光子和膠子就屬於沒有被賦予質量的。

儘管光子的靜質量為0，但是它是有能量的。因為光子是擁有質量和電荷這些標籤（屬性）的，只是這些屬性的數量值為零。

目前主流物理主張，慣性質量的來源是希格斯粒子。希格斯粒子與基本粒子相互作用產生了質量,這個質量也就是我們所討論的慣性質量。而希格斯粒子卻管不了引力質量，希格斯粒子只能解釋物質如何獲得質量,卻不能解釋引力是如何吸引物質的,

光子如果有質量，會怎麼樣？

目前，科學家通過實驗發現，光子的靜質量為0，但是科學是在不斷發展的，實驗設備也在不斷發展，測量數據也會更加精進，但是在沒有其他進一步的實驗證據以前，我們認可光子應該為零，而不是一個極小的量。

如果光子存在存在質量，將會對現代物理學體系造成毀滅性影響，從1900年，普朗克提出了量子假說，標誌著經典物理學時代落下帷幕，現代物理學時代到來。

而現代物理學三大支柱分別是量子力學、相對論和規範場論。如果光子質量不為零，光速將隨波長的改變而變化，並且光波將像聲波一樣能夠產生縱向振動。量子色動力學將不是規範不變的，電荷守恆也無法自動保證，那麼以規範場論為基礎的標準模型將崩塌。

而光子質量不為零，真空光速將不再是常數。

而愛因斯坦的狹義相對論的基本假設之一是光速不變性,其直接推論就是光子的靜止質量必須為零，根據狹義相對論的運動速度與質量之間的關係為m=m0/√1-v^2/c^2，這個公式表明運動物體的質量隨其速度的增加而增加，所有速度增加接近於光速物體的質量都趨於無窮大，

但實際得物體不能達到或超過光速.當速度不斷趨近於光速時，上式分母也不斷趨於0，為使方程有意義分子必須也為零，即靜止質量 m0 必須為零。

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。然而光子在真空中（在介質中袁光波的速度要小於光子的速度袁，所以在介質中光的速度顯得慢不是由於光子本身的速度變慢了，而是光子在介質的行進過程中不斷被介質粒子挽留片刻——被原子吸收一小段時間後又釋放出來）的速度是光速說明光子的靜止質量必須為零。

可以說，光子如果有質量，科學家花費100多年構建的現代物理學大廈將轟然倒塌。

而這甚至會影響到經典物理學，比如說麥克斯韋方程組，麥克斯韋電磁理論是基於光子靜止質量為零的假設,且電磁 相互作用也是通過靜止質量為零的光子來傳播的。

在過去的一個世紀中，狹義相對論堯麥克斯韋電磁理論及電動力學的諸多實驗的取得的巨大成功導致了人們幾乎完全接受了光子靜止質量為零這個概念，光子質量為零袁雖然在很高精度上與實驗結果並不矛盾袁但它仍然只是一項科學假設袁因此科學家們一直十分關注光子是否存在非零靜止質量。

所以科學家一直想要知道，如果光子真的有質量，質量上限是多少，中國的羅俊教授設計了一個極其精密的動態扭秤，就是下圖的裝置：

為避免幹擾，這臺設備被放進大山深處的地下山洞，同時加上多重減震和電磁屏蔽措施；容器內部被抽成2×10??Pa的高度真空以避免空氣粒子的影響；儀器的扭絲是一根直徑僅25μm，長度為90cm的塗釷鎢絲，它的轉動慣量誤差小於3ppm。在這樣一個儀器裡，如果光子存在可測量的靜止質量，扭秤內部的磁場將與宇宙矢勢發生相互作用，從而產生力矩使扭秤偏轉，再通過複雜的計算過程就可以測出光子的靜止質量。

經過實驗表面，在任何情況下，光子的質量都不會超過10-48千克，這一結果是之前已知的光子質量上限的1/20。

總結：

在目前來說，光子靜質量為0仍然是真理，我們構建的現代物理學大廈仍然穩健存在，但是科學最大的魅力，就是向未知探索，解構各種可能性，這也是科學家一直以來想要探尋如果光子真的存在質量，質量上限究竟是多少的原因。正如愛因斯坦所說：

世界的可理解性是它永恆的謎……而人可以理解這個世界是一個奇蹟。