如果光子有质量，物理学将乱套

如果光子有质量，物理学将乱套 原创 周志宏glee 2019-05-17 16:48:57
光，我们每天都可见，即便是一个盲人，他也能感受到光和热带来的恩泽。
但几乎没有人去关心光子有没有质量，这似乎只是物理学家们操心的事。
问题的引出物理的关键理论建立在一个假说之上，这个假说就是“光子的静止质量为0”。
高中物理教材会告诉孩子们光子是无质量的粒子，事实上在物理学中对光子质量的定义是“光子在静止状态下质量为0”。因为光子始终在运动，它的运动速度在真空状态下为299792458 m/s，也就是约30万公里每秒。光子在运动状态下具有质量、动量和能量。
光子有没有静止状态？以目前的理论不应该有。光子只要产生出来它就始终以光速或接近光速的速度在运动，直到消失。

光子想像图

既然光子始终在运动，它不会静止，为什么我们还要关注光子的静止质量？光子真的有静止质量吗？光子的静止质量“不为0”到底有什么意义？物理学家们犯得着为这事紧张吗？这正是本文接下来需要讨论的话题。
“称一称”光子我们关注到光子的质量，缘于2003年中科院院士罗俊率领华中科技大学引力实验中心团队对光子的研究成果。当时罗院士的团队通过动态扭秤调制实验成功测量了光子的相对静止质量，将光子静止质量的上限确定为1.2×10⁻⁵¹g。2006年罗院士和涂良成团队利用改进的动态扭秤调制实验装置再次测量光子，又将光子静止质量上限数值提高到1.5×10⁻⁵²g的水平。这一实验结果已被国际基本粒子物理数据组（PDG）收录，作为电磁学及量子力学研究的重要参考。
我们在前面介绍过，光子是运动的，你不可能从空中抓一个光子，把它放到天平上去称称看有多重，到目前为止也没有任何一个天平来测量如此小质量的粒子，科学家是怎么做到的呢？
罗俊团队设计了一个极其精密的动态扭秤，就是下图的装置：

动态扭秤结构示意图

为避免干扰，这台设备被放进大山深处的地下山洞，同时加上多重减震和电磁屏蔽措施；容器内部被抽成2×10⁻⁵Pa的高度真空以避免空气粒子的影响；仪器的扭丝是一根直径仅25μm，长度为90cm的涂钍钨丝，它的转动惯量误差小于3ppm。在这样一个仪器里，如果光子存在可测量的静止质量，扭秤内部的磁场将与宇宙矢势发生相互作用，从而产生力矩使扭秤偏转，再通过复杂的计算过程就可以测出光子的静止质量。它的原理图如下：

光子静止质量测量原理

罗俊团队并不是第一个测量光子静止质量的科学家，近100年来，国际物理学界不断以各种直接和间接的实验方法测量光子，试图找到光子静止质量下限，或者逼近“能量时间不确定原理”（海森堡测不准关系）所设定的约10⁻⁶⁶g最低可探测极限。

一些代表性的光子质量测量结果，罗俊团队最接近极限

为什么要给光子称重？十九世纪最伟大的物理学成就之一就是麦克斯韦电磁场理论，它的创立一举奠定了现代电磁物理学的基础，在麦克斯韦方程组中，真空中光的速度c是一个恒定的常量，无论何种频率和波长的电磁波，它在真空中的速度都不会改变。同样，爱因斯坦在二十世纪创立了伟大的狭义相对论，在狭义相对论中，真空中光速c也被作为一个恒定的常数存在。
这意味着光子的静止质量要严格为0。如果光子拥有静止质量，哪怕是极其微小的质量，它都会因为波长和频率差异而拥有不同的速度，光在真空中的速度会存在差异，c这个光速常量也就不存在了。

巨大的天文光学望远镜

然而光子是基本粒子，物理学界已经确认了包括光子在内基本粒子的波粒二象性，粒子是物质，从物理学和哲学意义上看它都必须包含质量与能量这两个方面，无论它的质量有多小。
为追求科学真理，物理学家们需要以科学的方法来证明光子有或者没有非零的静止质量。包括上一节图表中所给出的这些实验，尽管它们越来越精确，但都只能给出一个越来越接近0的最低上限，到目前为止还没有人可以给出一个下限的数值，说光子的静止质量真的不为0。
光子静止质量不为0的后果狭义相对论被推翻著名的爱因斯坦狭义相对论不仅确定了真空中光速的唯一性，还规定了光子的静止质量必须为0。按照狭义相对论中物体运动质量的公式：

狭义相对论运动质量公式

当物体运动速度v达到光速c时，分母为0，其静止质量m0必须为0，哪怕m0只比0大任何一点点，其动质量m将无穷大。要么，光子的速度永远达不到光速c，这又违背了真空中光速不变原则。
值得一提的是，爱因斯坦在他的广义相对论中是允许光子有相对静止质量的。

爱因斯坦

麦克斯韦经典电磁理论需要修正前文提到，麦克斯韦电磁理论是建立在真空光速唯一以及光子静止质量严格为0的假设之上，如果光子的质量不为0，哪怕是比0高出难以察觉的一点点，麦克斯韦方程的基础便不存在，其公式需要修正。
按照重电磁场理论Proca方程组：

Proca方程组

只有当光子相对静止质量为0，它才会过渡到麦克斯韦方程组，因此以Proca方程为基础对各种电磁现象进行检验，测量光子静止质量是否为0，就可以间接判断麦克斯韦方程组的正确与否，同时也将判断真空中光速是否唯一。
其它重大的影响光子拥有最小静止质量一旦被证实，除了会动摇狭义相对论、麦克斯韦电磁理论、库伦定律、高斯定律等一系列物理学基础理论外，它还会带来以下重大影响：
1、破坏电动力学的规范不变性，使电动力学的一些基本性质失去依据；
2、黑体辐射公式将需要修改；
3、电荷将不再守恒；
4、光子偏振态将不再是2，还需要再加上一个向前方向的“纵光子”，尽管它的能级极小，目前还没有办法被探测到；
5、光在真空中因速度不同会产生色散（事实上科学家早已经发现遥远星球的色散现象，只是无法确定是不是因光子质量引发）；
6、电磁力将不会是长程力，平方反比律会有偏差；

广义相对论是对的，狭义相对论对不对？这是个问题

其它如：磁单极子是否存在、带电黑洞是否存在等等，总之几乎所有与光子静止质量以及光速恒定规则相关的一切理论、结论和推理都需要被拿出来重新讨论。
总结：尽管光子是否存在相对静止质量、光速是否唯一，对于我们普通人来说没有什么影响，但它对物理科学的影响将是革命性的。
目前所有的研究结果都在不断刷新光子静止质量的最低上限，这并不意味着确定光子拥有非0质量。
科学家们一直在努力寻找光子静止质量的最小下限，其目的并不是破坏现代物理学体系，而是对光速不变性原理以及经典电磁理论规范不变性的一次科学检验。
无论“光子静止质量不为0”的结论是否成立，现代物理学理论必将不断完善，科学也必将继续前行。

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