光子质量 光子的静止质量为什么是零？如果不是零，整个物理学体系轰然倒塌！

每天都能看到光。即使是盲人也能感受到光和热带来的优雅。

但是很少有人关心光子的质量，这似乎只是物理学家担心的问题。

问题的推导

物理学的关键理论是基于“光子的静止质量为0”的假设。

光子处于静止状态吗？按照现在的理论，应该没有。只要光子产生，它总是以光速或接近光速运动，直到消失。

光子想象图

因为光子总是在运动，所以它不会是静止的。为什么要关注光子的静止质量？光子真的有静态质量吗？光子的静止质量“不为零”有什么意义？物理学家对此感到紧张值得吗？这正是本文接下来需要讨论的话题。

“称一个光子”

我们关注光子的质量，这得益于2003年中国科学院罗俊院士领导的光子研究成果。当时，罗院士团队通过动态扭转尺度调制实验成功测量了光子的相对静止质量，并确定光子静止质量上限为1.2×10⁻⁵g . 2006年，罗院士和涂良成利用改进的动态扭转平衡调制实验装置再次测量光子，并将光子静止质量上限提高到1.5×10⁻⁵ g .实验结果已被国际基础粒子物理数据组收集，作为电磁学和量子力学研究的重要参考。

前面我们提到，光子是在运动的，所以不能从空抓起一个光子，放在天平上称重。到目前为止，还没有天平来测量如此小质量的粒子。科学家是怎么做到的？

罗俊的团队设计了一种极其精确的动态扭转秤，如下图所示:

动态扭转秤结构示意图

为了避免干扰，该设备被放置在深山中的一个地下洞穴中，具有多重减震和电磁屏蔽措施；容器内部被抽到2×10⁻⁵Pa的高度，以避免空气体颗粒的影响。该仪器的绞线是一根直径只有25μm、长度为90cm的涂钍钨丝，其转动惯量误差小于3ppm。在这样的仪器中，如果光子具有可测量的静态质量，那么扭转天平内部的磁场会与宇宙矢量势相互作用，从而产生一个力矩来偏转扭转天平，然后通过复杂的计算过程就可以测量出光子的静态质量。其示意图如下:

光子静态质量测量原理

罗俊的团队并不是第一个测量光子静止质量的科学家。近100年来，国际物理学界不断通过各种直接和间接的实验方法测量光子，试图寻找光子静止质量的下限，或逼近“能量-时间不确定性原理”所设定的10 g左右的最低可探测极限。

一些有代表性的光子质量测量，罗俊团队最接近极限

为什么要称光子？

19世纪最伟大的物理学成就之一是麦克斯韦电磁场理论，一举奠定了现代电磁物理学的基础。在麦克斯韦方程组中，光速在真空中是一个常数，无论电磁波的频率和波长如何，它在真空中的速度都不会改变。同样，爱因斯坦在20世纪创立了伟大的狭义相对论，其中光速c在true 空中也作为常数存在。

这意味着光子的剩余质量应该严格为零。如果一个光子有一个静止的质量，即使它是一个极其微小的质量，由于波长和频率的不同，它也会有不同的速度。真空中的光速会不一样，光速c的常数不会存在。

巨大的天文光学望远镜

然而，光子是基本粒子，物理学已经证实了包括光子在内的基本粒子的波粒二象性。粒子就是物质，无论它的质量有多小，在物理学和哲学中都必须包含质量和能量。

为了追求科学真理，物理学家需要用科学的方法证明光子是否具有非零静止质量。包括上图给出的实验，虽然越来越准确，但只能给出一个越来越接近零的下限。到目前为止，还没有人能给出一个下限值，说光子的剩余质量真的不为零。

光子静止质量不为0的结果推翻了狭义相对论

著名的爱因斯坦狭义相对论不仅确定了光速在真空中的唯一性，还规定光子的剩余质量必须为0。根据狭义相对论中物体运动质量的公式:

狭义相对论的运动质量公式

当物体的运动速度v达到光速c时，分母为0，其静止质量m0必须为0。即使m0只比0大一点，它的运动质量m也将是无限的。或者，光子的速度永远达不到光速c，这违反了真空中光速不变的原理。

值得一提的是，爱因斯坦在其广义相对论中允许光子具有相对静止的质量。

阿尔伯特·爱因斯坦

麦克斯韦的经典电磁理论需要修正

如前所述，麦克斯韦电磁理论是建立在真实空光速唯一且光子静止质量严格为零的假设之上的。如果光子质量不为零，即使稍高于零，麦克斯韦方程的基础也不会存在，其公式需要修正。

根据重电磁场理论普鲁卡方程:

普鲁卡方程

只有当光子的相对静止质量为0时，才会过渡到麦克斯韦方程组。因此，通过测试基于Proca方程的各种电磁现象，测量光子的静止质量是否为0，可以间接判断麦克斯韦方程是否正确，同时判断真空中光速是否唯一。

其他重大影响

一旦证明光子具有最小静止质量，不仅会动摇狭义相对论、麦克斯韦电磁理论、库仑定律、高斯定律等一系列基础物理理论，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基础；

2.黑体辐射公式需要修改。

3.电荷将不再守恒；

4.光子的偏振态将不再是2，需要在正向增加一个“纵向光子”。虽然它的能级极小，但目前还没有办法被探测到；

5.光在true 空中会因速度不同而产生色散；

6.电磁力不会是远距离力，平方反比定律会有偏差；

广义相对论是对的，狭义相对论是对的？这是一个问题。

其他的，比如磁单极子的存在，带电黑洞的存在等等。简而言之，几乎所有与光子静态质量和光速不变规律有关的理论、结论和推论都需要拿出来重新讨论。

总结:

虽然光子是否具有相对静止的质量，光速是否唯一，对普通人没有影响，但它对物理科学的影响将是革命性的。

目前所有的研究成果都在不断刷新光子静止质量的最低上限，这并不意味着光子具有非零质量。

科学家们一直在努力寻找光子静止质量的最低极限，这不是为了破坏现代物理体系，而是为了检验光速不变原理和经典电磁理论的规范不变性。

无论“光子静止质量不为零”的结论是真是假，现代物理理论都将得到完善，科学也将继续前进！