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从理论与实验角度解读:为什么光子没有静质量?

时间:2020-07-24 11:19:38  来源:  作者:

从理论与实验角度解读:为什么光子没有静质量?

 

量子力学相对论中,我们经常能够看到“光子没有静质量”的言辞,那么什么是静质量呢?光子没有静质量到底是什么意思呢?这个世界真的会存在没有静质量的物质吗?还有静质量有没有的区别与意义又是什么呢?

本文,将会从理论实验两个角度,去解读光子静质量的关系,以及静质量意义来源

主题目录如下:

  • 为什么光子没有静质量
  • 静质量从何而来

为什么光子没有静质量

静质量(Rest Mass)——也可以译作剩余质量,又称不变质量(Invariant Mass),它通常是指物体静止时,所拥有的质量,属于物体内在的属性,不随参考系变化,在性质上与惯性质量一致。

首先,从理论上来说,光子没有静质量是一个假设,并且很多其它物理理论依赖于它。

例如,如果光子具有静质量,那么真空光速将不再是常数,量子电动力学将不再具有规范不变性,电荷守恒也无法自动保证,甚至还会影响到麦克斯韦方程组的成立。

规范不变性(Gauge Invariance)——是拉格朗日函数和运动方程,在规范变换下保持不变的性质,即:变换后所有物理量和物理规律保持不变。而规范不变性要求规范场玻色子(如光子、胶子)的静质量为0。


拉格朗日函数(Lagrangian Function)——是粒子系统的动能减去其势能的运算。


规范变换(Gauge Transformation)——是对称操作,具体是指场的相位变换。


相位(Phase)——就是一个波,其循环中的位置,如:波峰、波谷、或是峰谷之间某个点的标度。

事实上,假设是可以修改的,如果非要假设光子有静质量也行,只不过受其影响的理论都要做出相应的修订。而这些理论,目前在光子没有静质量的假设之上工作的很好,也得到了大量实验的验证。

那么,为什么最开始会假设光子没有静质量呢?这是源于狭义相对论的推理,可以从两个方面来说:

第一,狭义相对论假设光速不变原理,也就会说光子在任意惯性系中都是光速运动,且不存在光速参考系的存在。

因此,光子就不存在静止参考系(Rest Frame),即:不存在光子在其中静止的参考系。所以,光子就不会静止,进而假设光子没有静质量(Rest Mass),就是一种比较自然的选择。

而静质量,又称为不变质量(Invariant Mass),是因为运动是相对的,那么运动对应的动质量就是随参考系变化的,于是不随参考系变化的,自然就是不变质量了。

所以,相对论质量 = 变动质量(依赖参考系) + 不变质量(不依赖参考系),即:动质量 + 静质量。

第二,狭义相对论的质能方程指出,E = mc^2(m是相对论质量)或等价于 E^2 = p^2c^2 + m^2c^4(p是相对论质量的动量,m是静质量)。也就是说,总能量 = 内能(或称势能) + 动能,其中内能来源静质量,动能来源动质量

显然,如果微观光子静质量为0,那么上述方程得到:E = pc,而在经典电动力学中,宏观光的能量和动量刚好满足:E = pc,于是这样假设刚好就统一了光在宏观与微观的方程。

其次,我们从实验角度来看,并没有证据表明,光子的静质量为0。

实验原理是,如果光子有静质量,静磁场的行为会有所变化,那么通过测量星球的磁场,就可以推算出光子静止质量的上限。

目前的实验结果是,光子的静质量上限在10^-51kg到10^-62kg之间,要知道已知最轻的有静质量粒子——中微子,其质量是10^-36kg,光子比中微子要轻几十个数量级。

那么可以想象,光子的静质量如果存在,是该有多么多么的渺小,以至于我们甚至都会怀疑——我们的实验精度,是否真的能够计算出光子的静质量。

另外,实验给出的是光子静质量的上限(即不会超过的数值),而没有给出下限(即不会低于的数值)——换言之,光子静质量的下限就是不确定的,可能等于0。

最后,综上可见,虽然光子没有静质量是一个假设,但在目前人类知识的范围内,是极其确定的一个结论。

静质量从何而来

从前文论述的相对论视角来看:

首先,动质量就是能量,是运动对应的能量,即动能。

显然,运动是相对的,所以动能是相对的,但根据光速不变原理,光子的光速运动没有相对性,因此光子的动能(或说动质量)并没有相对性,而是绝对的。

因此,我们可以说,光子没有静质量,只有动质量,且携带“绝对动能”。

其次,一切都在运动,宏观静止,其静质量来源物体的内能,也就微观势能。

而这个势能,绝大部分都是由强力带来的强相互作用,而相互作用其来源是基本粒子的运动,其本质还是动能,即动质量。

例如,强力的传播子是胶子,它和光子一样没有静质量,但它却提供了原子核内部大约95%的质量来源,而这个质量在宏观看来,就是原子核的静质量。

那么,基本粒子的静质量来自何处?

答案就是——希格斯场的“阻力”,希场自发对称性破缺,产生对基本粒子运动的阻碍,只要运动不抵达光速,就会表现出静质量。

因此,没有静质量的基本粒子,都不会和希场发生相互作用,即:被希场降低速度到光速以下。

然而,胶子虽然不和希场作用,但会和其它物质相互作用——阻碍它们抵达光速,并让上层结构(如原子、分子、复合结构),看起来是存在静质量一般。

那么,其实这些宏观的“静质量”,大部分都是能量,即基本粒子的动质量,而这也是宏观场的“静质量”来源。



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