中國古代哲學道氣思想太極圖的物理學原理說明

dffaaoo

光，我們每天都可見，即便是一個盲人，他也能感受到光和熱帶來的恩澤。

但幾乎沒有人去關心光子有沒有質量，這似乎只是物理學家們操心的事。

問題的引出

物理的關鍵理論建立在一個假說之上，這個假說就是“光子的靜止質量為0”。

高中物理教材會告訴孩子們光子是無質量的粒子，事實上在物理學中對光子質量的定義是“光子在靜止狀態下質量為0”。因為光子始終在運動，它的運動速度在真空狀態下為299792458 m/s，也就是約30萬公里每秒。光子在運動狀態下具有質量、動量和能量。

光子有沒有靜止狀態？以目前的理論不應該有。光子只要產生出來它就始終以光速或接近光速的速度在運動，直到消失。

dffaaoo

既然光子始終在運動，它不會靜止，為什么我們還要關注光子的靜止質量？光子真的有靜止質量嗎？光子的靜止質量“不為0”到底有什么意義？物理學家們犯得著為這事緊張嗎？這正是本文接下來需要討論的話題。

“稱一稱”光子

我們關注到光子的質量，緣于2003年中科院院士羅俊率領華中科技大學引力實驗中心團隊對光子的研究成果。當時羅院士的團隊通過動態扭秤調制實驗成功測量了光子的相對靜止質量，將光子靜止質量的上限確定為1.2×10⁻⁵¹g。2006年羅院士和涂良成團隊利用改進的動態扭秤調制實驗裝置再次測量光子，又將光子靜止質量上限數值提高到1.5×10⁻⁵²g的水平。這一實驗結果已被國際基本粒子物理數據組（PDG）收錄，作為電磁學及量子力學研究的重要參考。

我們在前面介紹過，光子是運動的，你不可能從空中抓一個光子，把它放到天平上去稱稱看有多重，到目前為止也沒有任何一個天平來測量如此小質量的粒子，科學家是怎么做到的呢？

dffaaoo

羅俊團隊并不是第一個測量光子靜止質量的科學家，近100年來，國際物理學界不斷以各種直接和間接的實驗方法測量光子，試圖找到光子靜止質量下限，或者逼近“能量時間不確定原理”（海森堡測不準關系）所設定的約10⁻⁶⁶g最低可探測極限。



一些代表性的光子質量測量結果，羅俊團隊最接近極限

為什么要給光子稱重？

十九世紀最偉大的物理學成就之一就是麥克斯韋電磁場理論，它的創立一舉奠定了現代電磁物理學的基礎，在麥克斯韋方程組中，真空中光的速度c是一個恒定的常量，無論何種頻率和波長的電磁波，它在真空中的速度都不會改變。同樣，愛因斯坦在二十世紀創立了偉大的狹義相對論，在狹義相對論中，真空中光速c也被作為一個恒定的常數存在。

這意味著光子的靜止質量要嚴格為0。如果光子擁有靜止質量，哪怕是極其微小的質量，它都會因為波長和頻率差異而擁有不同的速度，光在真空中的速度會存在差異，c這個光速常量也就不存在了。


巨大的天文光學望遠鏡

然而光子是基本粒子，物理學界已經確認了包括光子在內基本粒子的波粒二象性，粒子是物質，從物理學和哲學意義上看它都必須包含質量與能量這兩個方面，無論它的質量有多小。

為追求科學真理，物理學家們需要以科學的方法來證明光子有或者沒有非零的靜止質量。包括上一節圖表中所給出的這些實驗，盡管它們越來越精確，但都只能給出一個越來越接近0的最低上限，到目前為止還沒有人可以給出一個下限的數值，說光子的靜止質量真的不為0。

光子靜止質量不為0的后果

狹義相對論被推翻

著名的愛因斯坦狹義相對論不僅確定了真空中光速的唯一性，還規定了光子的靜止質量必須為0。按照狹義相對論中物體運動質量的公式：

dffaaoo

當物體運動速度v達到光速c時，分母為0，其靜止質量m0必須為0，哪怕m0只比0大任何一點點，其動質量m將無窮大。要么，光子的速度永遠達不到光速c，這又違背了真空中光速不變原則。

值得一提的是，愛因斯坦在他的廣義相對論中是允許光子有相對靜止質量的。



愛因斯坦

麥克斯韋經典電磁理論需要修正

前文提到，麥克斯韋電磁理論是建立在真空光速唯一以及光子靜止質量嚴格為0的假設之上，如果光子的質量不為0，哪怕是比0高出難以察覺的一點點，麥克斯韋方程的基礎便不存在，其公式需要修正。

按照重電磁場理論Proca方程組：


Proca方程組

只有當光子相對靜止質量為0，它才會過渡到麥克斯韋方程組，因此以Proca方程為基礎對各種電磁現象進行檢驗，測量光子靜止質量是否為0，就可以間接判斷麥克斯韋方程組的正確與否，同時也將判斷真空中光速是否唯一。

其它重大的影響

光子擁有最小靜止質量一旦被證實，除了會動搖狹義相對論、麥克斯韋電磁理論、庫倫定律、高斯定律等一系列物理學基礎理論外，它還會帶來以下重大影響：

1、破壞電動力學的規范不變性，使電動力學的一些基本性質失去依據；

2、黑體輻射公式將需要修改；

3、電荷將不再守恒；

4、光子偏振態將不再是2，還需要再加上一個向前方向的“縱光子”，盡管它的能級極小，目前還沒有辦法被探測到；

5、光在真空中因速度不同會產生色散（事實上科學家早已經發現遙遠星球的色散現象，只是無法確定是不是因光子質量引發）；

6、電磁力將不會是長程力，平方反比律會有偏差；廣義相對論是對的，狹義相對論對不對？這是個問題

其它如：磁單極子是否存在、帶電黑洞是否存在等等，總之幾乎所有與光子靜止質量以及光速恒定規則相關的一切理論、結論和推理都需要被拿出來重新討論。

總結：

盡管光子是否存在相對靜止質量、光速是否唯一，對于我們普通人來說沒有什么影響，但它對物理科學的影響將是革命性的。

目前所有的研究結果都在不斷刷新光子靜止質量的最低上限，這并不意味著確定光子擁有非0質量。

科學家們一直在努力尋找光子靜止質量的最小下限，其目的并不是破壞現代物理學體系，而是對光速不變性原理以及經典電磁理論規范不變性的一次科學檢驗。

無論“光子靜止質量不為0”的結論是否成立，現代物理學理論必將不斷完善，科學也必將繼續前行。

dffaaoo

當物體運動速度v達到光速c時，分母為0，其靜止質量m0必須為0，哪怕m0只比0大任何一點點，其動質量m將無窮大。要么，光子的速度永遠達不到光速c，這又違背了真空中光速不變原則。

dffaaoo

有人會產生疑問，既然宇宙中有如此多的文明，為什么我們從未找到他們呢？其實，這并不奇怪�？赡芎芏啾鹊厍蛭拿髡Q生早的多的文明已經被毀滅了，它們的恒星已經死亡，就像40多億年以后的太陽一樣。也可能他們距離我們太過遙遠，隨著宇宙的膨脹，我們永遠都不會知道他們的存在，畢竟，人類的一切在宇宙的刻度上都微不足道。還有一種可能就是，他們也許知道我們的存在，但并不打擾我們，而是時時刻刻的關注我們，監視我們。

dffaaoo

然而光子是基本粒子，物理學界已經確認了包括光子在內基本粒子的波粒二象性，粒子是物質，從物理學和哲學意義上看它都必須包含質量與能量這兩個方面，無論它的質量有多小。

dffaaoo

光速=(2c2)1/2

dffaaoo

光速=1.4 c

dffaaoo

c0=299792.458km/s （一般取300000km/s）