10.10 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。

光子在傳統上被認為無質量。這是一種物理學家的比喻說法，為了用狹義相對論描述光子的粒子性質。

這個邏輯能用很多方式構造，下面就是一個例子。用一個孤立系統（稱為一個“粒子”），使它加快一些速度v（一個矢量）。牛頓定義了這個粒子（也是一個矢量）的動量p。如此這般，當這個粒子加速時或者碰撞時，p就會以一種簡單的方式運動。為了保持這種簡單行為，p必須和v成正比。這個比例常數被稱為這個粒子的質量m，因此p=mv。

在狹義相對論中，原來我們依然能定義一個粒子的動量p，這樣使它以一種定義明確的方式運動，這是牛頓學說的一種延伸。儘管p和v仍然嗎指向相同的方向，但是他們不再成比例。我們最好能做的是通過粒子的“相對質量”（"relativistic mass"）mrel聯繫它們。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。

事實證明，在狹義相對論中，我們能夠定義能量E的概念，以至於E具有簡單而明確的性質，就像在牛頓力學中一樣。當一個粒子被加速，使它有一些動量p（矢量的長度p）和相對質量

mrel，那麼它的能量是被給予的，通過：

E = mrelc2 , 以及 E2 = p2c2 + m2restc4 . (1)

後一個方程有兩個有趣的例子：

1.如果這個粒子是靜止的，那麼p = 0, E = mrestc2

2.如果我們設置靜止質量等於零（不管那是否合理），那麼E = pc。

圖解：用費曼圖表示的正電子-負電子湮滅。

在經典電磁理論中，光的能量是E，動量是p，它們之間的關係是E = pc。量子力學引入了這樣一種觀點:光可以被看作是一種“粒子”的集合：光子。即使光子不能靜止，所以靜止質量的觀點不能真的適用於他們，但我們肯定能把光的“粒子”帶入摺疊方程(1)，只要考慮到它們沒有靜止質量。那樣，方程 (1)給出了光的正確表達式，E = pc，而且沒有任何損失。方程(1)現在能夠應用於物質的粒子和光的“粒子”了。它現在可以作為一個完全通用的方程來使用，這使得它非常有用。

有沒有任何實驗證據表明光子的靜止質量為零？

可供選擇的光子理論包括一個表現為質量的術語，引起了一種非常先進的觀點“大質量光子”。如果光子的靜止質量是不為零的，那麼量子電動力學將“陷入困境”，這主要是因為損失了規範不變性，這將使它不可重整。同樣，電荷守恆不再是絕對的保證，就像光子的靜止質量為零一樣。但是，不管任何理論預測了什麼，仍然有必要通過實驗來驗證這個預測。

圖解：托馬斯·楊於1801年進行的雙縫干涉實驗證實光波動說，同時否定了光微粒說的有力證據。

幾乎可以肯定的是，做任何實驗都不可能使光子的靜止質量恰好為零。我們所能做到最好的是對它加以限制。非零靜止質量將會在靜電力的平方反比庫侖定律中引入一個小的阻尼因數。這意味著在非常大的距離上靜電力會變弱。

同樣地，靜磁場的行為也會改變。光子質量的上限可以通過行星磁場的衛星測量值來推斷。電荷組合探測器被用來獲得6×10−16 eV的上限，具有很高的確定性。1998年，羅德里克·拉克斯在一項尋找卡文迪什平衡上的異常力的實驗室實驗中，略微改善了這一點。新的極限是7×10−17 eV。對銀河系磁場的研究表明，小於3×10−27 eV的限制要好得多，但對於這種方法的有效性還存在一些疑問。

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. math-罔象

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