韦德体育官方网站注册开户 光子质量如果不为零，整个物理学大厦将轰然倒塌！

在日常生活中，我们每时每刻都沐浴在光的海洋里，即便是视力受损的人也能感受到阳光的温暖和照耀。

但是，很少有人会去深究光子的质量问题，似乎这只是物理学者的专业领域。

物理学中的一项关键原理是建立在一个基本假设之上，那就是“光子在静止状态下是无质量的”。

高中物理教科书通常会向学子们传达一个观念：光子是一种无重量的粒子。实际上，在物理学领域，关于光子质量的讨论是基于“光子在停止运动时无质量”这一前提。由于光子永远处于运动状态，其运动速度在真空环境下可达每秒299,792公里，即大约每秒30万公里。在运动中，光子具有质量、动量与能量。

那么，光子是否存在静止状态？根据现行理论，答案应该是否定的。一旦光子形成，它便会以光速或接近光速的速度持续移动，直至消失。

既然光子一直处于运动状态，无法静止，为何我们还要关注光子的静止质量？难道光子真的有静止质量吗？若光子的静止质量不为0，这将意味着什么？物理学者们有必要为这个问题感到焦虑吗？这些问题正是我们接下来要探讨的焦点。

测量光子的质量

光子的质量引起我们注意，最初源于2003年中科院院士罗俊带领华中科技大学引力实验中心的研究成果。他们通过动态扭秤调制实验，首次成功地测量了光子的相对静止质量，将光子静止质量的上限定在1.2×10的负51次方克。在2006年，罗院士与涂良成团队利用升级版的动态扭秤调制实验装置再次进行测量，将光子静止质量的上限提升至1.5×10的负52次方克。这一成果被国际基本粒子物理数据组（PDG）采纳，成为电磁学与量子力学研究的重要依据。

如前文所述，光子是始终处于移动中的，我们不可能从空中捕获一个光子放到天平上进行称重，目前也没有任何天平能够测量如此微小的质量。科学家是如何实现这一壮举的呢？

罗俊团队设计了一个极其精密的动态扭秤，如下图所示：

为避免干扰，这台设备被置于大山深处的地下洞穴中，并实施了多重减震和电磁屏蔽措施；设备内部被抽空至2×10的负5次方Pa的极高真空度以避免空气粒子的干扰；所使用的扭丝为一根直径仅25微米、长90厘米的涂钍钨丝，其转动惯量误差控制在3ppm以内。在这样的设备中，如果光子具有可测的静止质量，扭秤内的磁场将与宇宙矢量势发生相互作用，产生力矩使扭秤偏转，进而通过复杂的计算过程测得光子的静止质量。其工作原理如下图所示：

罗俊团队并非第一个尝试测量光子静止质量的科学家。在过去的一百年里，国际物理学界通过各种直接和间接的实验方法，试图探寻光子静止质量的下限，或是逼近“能量时间不确定原理”（海森堡测不准原理）所设定的约10负66次方克的最低可探测极限。

为什么要测量光子的质量？

19世纪最伟大的物理学成就之一莫过于麦克斯韦的电磁场理论，这一理论为现代电磁物理学奠定了坚实基础。在麦克斯韦方程组中，光在真空中的速度c是一个恒定常数，无论何种频率和波长的电磁波，其速度都是不变的。同样，爱因斯坦在20世纪提出的狭义相对论中，也将光在真空中的速度c作为常数。

这表明光子的静止质量必须严格为0。如果光子拥有静止质量，哪怕是极小的质量，它在不同波长和频率下的速度也将不同，真空中光速c的常量也就不存在了。

然而，光子作为基本粒子，物理学界已经确认了它和其他基本粒子具有波粒二象性，作为物质的粒子必然具有质量与能量这两个基本属性，无论其质量多么微小。

为了探寻科学真理，物理学家们必须通过科学手段证明光子是否有非零的静止质量。包括上文中所提到的实验，尽管它们在精确度上不断提高，但仍只能提供越来越接近0的上限值。到目前为止，没有人能给出一个下限数值，证明光子的静止质量确实不为0。

如果光子的静止质量不为0，将引发一系列后果。

狭义相对论可能被推翻

爱因斯坦的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。根据狭义相对论中的物体运动质量公式：

当物体的运动速度v等于光速c时，公式中的分母为0，这要求物体的静止质量m0必须为0，哪怕只比0稍大，其动质量m将变得无限大。或者，光子的速度永远无法达到光速c，这又与真空中光速不变的原则相悖。

值得注意的是，爱因斯坦在广义相对论中允许光子具有相对静止质量。

麦克斯韦经典电磁理论需要修正

如前文所述，麦克斯韦电磁理论建立在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，即便只比0略高，麦克斯韦方程的基础就不复存在，需要对其进行修正。

按照Proca方程组，重电磁场理论中的公式为：

只有当光子相对静止质量为0，它才会转化成麦克斯韦方程组。因此，通过检验各种电磁现象，测量光子的静止质量是否为0，可以间接验证麦克斯韦方程组的准确性，并判断真空中光速是否唯一。

其他重大影响

如果光子的最小静止质量被证实，除了动摇狭义相对论、麦克斯韦电磁理论等物理学基础理论，它还将带来以下重大影响：

破坏电动力学的规范不变性，使电动力学的基本性质失去依据；

黑体辐射公式需要修改；

电荷不再守恒；

光子偏振态不再是2，还需增加一个向前方向的“纵光子”，尽管其能级极小，目前尚无法探测；

光在真空中因速度不同会产生色散（事实上科学家已发现遥远星球的色散现象，但不确定是否由光子质量引起）；

电磁力不再是长程力，平方反比律将出现偏差；

广义相对论是正确的，但狭义相对论是否正确成为一个问题。

此外，例如磁单极子和带电黑洞的存在等，所有与光子静止质量和光速恒定规则相关的理论、结论和推理都需要重新讨论。

总结：

尽管光子是否具有相对静止质量、光速是否唯一，对我们普通人来说影响甚微，但它对物理科学的影响将是革命性的。

目前的研究结果不断刷新着光子静止质量的最低上限，但这并不意味着光子拥有非0质量已被证实。

科学家们仍在不懈追求光子静止质量的最小下限，他们的目标并不是破坏现代物理学体系，而是对光速不变性原理和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”这一结论是否成立，现代物理学理论都将不断完善，科学探索也将继续前行。