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什么是光子的质量?

什么是光子的质量?

这个问题分为两个部分:

光子有质量吗?毕竟它有能量,能量是相当于质量的。

光子在传统上被认为无质量。这是一种物理学家的比喻说法,为了用狭义相对论描述光子的粒子性质。

这个逻辑能用很多方式构造,下面就是一个例子。用一个孤立系统(称为一个“粒子”),使它加快一些速度v(一个矢量)。牛顿定义了这个粒子(也是一个矢量)的动量p。如此这般,当这个粒子加速时或者碰撞时,p就会以一种简单的方式运动。为了保持这种简单行为,p必须和v成正比。这个比例常数被称为这个粒子的质量m,因此p=mv。

在狭义相对论中,原来我们依然能定义一个粒子的动量p,这样使它以一种定义明确的方式运动,这是牛顿学说的一种延伸。尽管p和v仍然吗指向相同的方向,但是他们不再成比例。我们最好能做的是通过粒子的“相对质量”("relativistic mass")mrel联系它们。因此,

p = mrelv ,当粒子静止时,它的相对质量有一个最小值,被称为“静止质量(rest mass)” mrest。同一类型粒子的静止质量总是相同的。例如,所有的质子拥有完全相同的静止质量,因此所有电子也一样,所有中子也一样。当这个粒子被加速到更高速度的时候,它的相对质量将会无限增加。

事实证明,在狭义相对论中,我们能够定义能量E的概念,以至于E具有简单而明确的性质,就像在牛顿力学中一样。当一个粒子被加速,使它有一些动量p(矢量的长度p)和相对质量mrel,那么它的能量是被给予的,通过:

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

后一个方程有两个有趣的例子:

1.如果这个粒子是静止的,那么p = 0, E = mrestc2

2.如果我们设置静止质量等于零(不管那是否合理),那么E = pc。

图解:用费曼图表示的正电子-负电子湮灭。

在经典电磁理论中,光的能量是E,动量是p,它们之间的关系是E = pc。量子力学引入了这样一种观点:光可以被看作是一种“粒子”的集合:光子。即使光子不能静止,所以静止质量的观点不能真的适用于他们,但我们肯定能把光的“粒子”带入折叠方程(1),只要考虑到它们没有静止质量。那样,方程 (1)给出了光的正确表达式,E = pc,而且没有任何损失。方程(1)现在能够应用于物质的粒子和光的“粒子”了。它现在可以作为一个完全通用的方程来使用,这使得它非常有用。

有没有任何实验证据表明光子的静止质量为零?

可供选择的光子理论包括一个表现为质量的术语,引起了一种非常先进的观点“大质量光子”。如果光子的静止质量是不为零的,那么量子电动力学将“陷入困境”,这主要是因为损失了规范不变性,这将使它不可重整。同样,电荷守恒不再是绝对的保证,就像光子的静止质量为零一样。但是,不管任何理论预测了什么,仍然有必要通过实验来验证这个预测。

图解:托马斯·杨于1801年进行的双缝干涉实验证实光波动说,同时否定了光微粒说的有力证据。

几乎可以肯定的是,做任何实验都不可能使光子的静止质量恰好为零。我们所能做到最好的是对它加以限制。非零静止质量将会在静电力的平方反比库仑定律中引入一个小的阻尼因数。这意味着在非常大的距离上静电力会变弱。

同样地,静磁场的行为也会改变。光子质量的上限可以通过行星磁场的卫星测量值来推断。电荷组合探测器被用来获得6×10−16 eV的上限,具有很高的确定性。1998年,罗德里克·拉克斯在一项寻找卡文迪什平衡上的异常力的实验室实验中,略微改善了这一点。新的极限是7×10−17 eV。对银河系磁场的研究表明,小于3×10−27 eV的限制要好得多,但对于这种方法的有效性还存在一些疑问。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. math-罔象

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文章来源:毕福剑深夜打台球

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