关于光子静止质量是否为零相关问题的讨论

2019-09-10胡婧蔡金平席特鲁同所吴琪

赤峰学院学报·自然科学版 2019年7期

关键词：光子

胡婧蔡金平席特鲁同所吴琪

摘要：光是自然界中最普遍的现象，包含着无穷的奥秘，需要人们去探索.光子是否存在静止质量已成为困惑人类的问题之一.光子质量是否为零，决定了我们所掌握的很多物理定律是否正确.爱因斯坦的狭义相对论与质能关系表明，光子静止质量为0，虽然它与高精度的实验结果并不矛盾，但是目前没有实验能够严格证明光子质量为0，而仅仅只是一项科学假设.本文基于现有的几个理论，对光子质量问题做了详细讨论，考虑近年科学家对光子静质量实验测量结果，我们大胆推断，光子很可能是有静止质量的，根据电磁场理论，光子质量应该有个上限.

关键词：光子;静止质量;proca方程组;狭义相对论

中图分类号：O4-09 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2019）07-0033-05

光是人类最熟悉的自然现象之一，也是早期科学研究的对象之一.人类的历史伴随光而发展，在文学、艺术、科学、宗教中都能找到光的身影.光包含着无穷的奥秘，等待人类不断去探索.在19世纪60年代，麦克斯韦利用方程组预测了光是电磁波，后来赫兹经过实验验证了这个假设.20世纪初期，爱因斯坦提出光由粒子（光子）组成，之后光的粒子性质被普朗克的“黑体辐射”实验、吴有训与康普顿的“光被电子散射”等实验一一验证[1].随后确立了光的波粒二象性学说及量子物理学.光子又称光量子是构成光的基本微粒.光子和其他粒子一样是一种基本粒子，它们的基本性质如电荷和质量的确定以及存在对于物理学家来说都是极具挑战性的问题.其中，光子质量与电荷量子化、电荷守恒定律、磁单极子等物理学家研究的一些最基本的问题密切相关.爱因斯坦认为物质质量分为运动的质量和静止的质量两种;根据狭义相对论，运动速度与质量之间的关系为：m=m0/■，这个公式表明，运动物体的质量随其速度的增加而增加，所有速度增加接近于光速物体的质量都趋于无穷大，但实际得物体不能达到或超过光速.当速度不断趋近于光速时，上式分母也不断趋于0，为使方程有意义，分子必须也为零，即静止质量m0必须为零.如果物体具有静止质量，即m0≠0，则光子的运动质量m0/0将趋于无穷大，因此不可能达到光速.然而，光子在真空中（在介质中，光波的速度要小于光子的速度，之所以在介质中光的速度显得慢，不是由于光子本身的速度变慢了，而是光子在介质的行进过程中，不断被介质粒子“挽留片刻”——被原子吸收一小段时间后又释放出来）的速度是光速，说明光子的静止质量必须为零，因此上述极限就变为0/0型不定式，结果是某个有限值.这个结果是符合实际的，因为光子的运动质量是有限且非无穷大的.这也意味着，拥有静止质量物体的运动速度不可能达到光速.而对于无静止质量的物体，它们的运动速度为光速且只能以光速运动.因此，有人指出由于光子不能静止下来，所以它没有静止质量.爱因斯坦狭义相对论、麦克斯韦电磁理论和现代物理学中的电动力学都是基于光子静止质量为零的假设，且电磁相互作用也是通過静止质量为零的光子来传播的.在过去的一个世纪中，狭义相对论、麦克斯韦电磁理论及电动力学的诸多实验的取得的巨大成功导致了人们几乎完全接受了“光子静止质量为零”这个概念.光子质量为零，虽然在很高精度上与实验结果并不矛盾，但它仍然只是一项科学假设，因此科学家们一直十分关注光子是否存在非零静止质量，从德布罗意，薛定谔和费曼这些物理学的泰斗们到华中科技大学的罗俊教授（现任中山大学校长），他们经过研究将光子静止质量的上限不断缩小.即使光子只有十分微小的静态质量，如果最终得到实验的检验，这将会对整个物理学的发展产生巨大而深远的影响.

爱因斯坦提出了光子的概念，他认为光波是一种具有粒子性质的微粒，称为光子.此外，他还假设宇宙中最快的物质就是光子，用c表示.在这个前提下，根据相关公式，爱因斯坦得出结论：光子的静止质量为零.但对于大多数科学家来说没有质量的粒子是难以接受的，于是他们提出了一种假设：宇宙中存在一个可能大于或等于光速的最大速度（宇宙中最大速度是多少我们现在也不能确定）.如果宇宙最大速度是光速，从理论上来看，光子质量就等于零;如果宇宙最大速度小于光速，根据计算，光子的质量就不为零.

此外，由库仑定律可知，真空中两个静止点电荷间的相互作用力，与它们电荷量的乘积成正比，与它们之间距离的二次方成反比.依据这种反比关系，只要电荷质量不为零，无论两电荷相隔多远，他们之间的力都不为零，因此电磁场作用的范围是无限的.但无限这个概念只是个想像的概念，实际上根本就不存在无限的情况，就连宇宙是不是无限大的，我们也不敢轻易得出结论.可以这样说，电磁场的作用范围几乎不可能是无限的，因为电磁作用是靠光子来传递的，并且根据电磁学理论分析，电磁场作用范围只有在光子质量为零的条件下才有可能是无穷大的.因此我们可以推断，由于电磁场的作用范围是有限的，光子质量就不可能为零.然而，根据Abel规范场理论（描述电磁相互作用的局域规范理论），光波不应具有惯性质量否则会产生一系列的问题.例如：如果光波具有惯性质量，那么光波通过介质后速度一定会下降，但实际情况正好相反.光波通过介质后速度不但没有降低，有时反而会增加.而这显然与光波具有惯性质量的事实相矛盾.因此，即使光波的惯性质量很小，也将与我们观察到的物理事实背道而驰.

早在1704年，提出光粒子学说的牛顿认为像弯曲其他有质量粒子运动轨迹一样，大质量物体可能会使光线也发生弯曲.根据牛顿引力理论，作用于具有零质量粒子上的引力将为零，倘若光子质量为零，则引力就应不影响到光.法国物理学家拉普拉斯在一个世纪以后独立提出了类似的观点.以牛顿力学为基础，1804年德国科学家Soderner将光粒子视为具有质量的粒子，预测了光线经过太阳边缘时将会发生0.87弧秒的偏折.1915年，爱因斯坦根据广义相对论预测，光线在强引力场（太阳、黑洞等大质量物体）附近经过时会弯曲（图1），当光线在太阳附近经过时星光偏折度为1.74弧秒[2].后来各国天文学家组织观测实验来检验光线弯曲（然而，实验过程涉及许多误差因素，例如望远镜对焦系统的变化、大气扰动模型的变化以及由于热胀冷缩导致胶片尺寸的变化，大气层对于光线偏折的影响等等），实验结果与广义相对论的预言有的非常一致，有的则很不一致.但无论如何，20世纪60年代初，天文学家逐渐认为太阳确实使恒星发生偏折，并意识到爱因斯坦关于偏折量的预言比牛顿所预测的更接近于观测结果[3].但是广义相对论的预测与观测结果不符，爱因斯坦的理论可能需要更正.

1 光子静质量实验探索历程

光子，各种电磁辐射的量子，可以携带能量和动量在空间传播.从卡文迪什年代开始，科学家们就开始研究光子静止质量.长期以来科学家进行了大量的实验，但所有实验都仅仅给出不断精确的光子静止质量的上限数值，而光子具有非零静止质量这一假设迟迟未被实验证明，到目前为止，光子静止质量的实验检验大致可分为三大类：光速色散效应的检验、库伦反平方定律的检验以及精密扭秤检验[4].早在1940年，徳布罗意利用色散效应实验（双星实验）探索出光子静止质量上限为0.8×10-40g（见表1、图2）.此后，科学家们纷纷采用类似的方法来检验光子静质量的上限.Florman、 Feinberg、 Hollweg、 Fullekrug等先后发表了自己的实验结果，不断精确光子静质量的上限.此外，1971年Williams采用五层同心二十面导球体验证库伦反平方定律得到相应光子质量上限为1.6×（见表1、图2）.1998年，美国科学家Lakes提出了一个检验光子质量的新实验方法：利用扭秤来检验一个环状螺旋管与宇宙磁场失势的作用.然而，由于实验设计的缺陷，Lakes发现当宇宙磁场矢势的方向正好与地球自转轴方向一致时实验结果毫无意义，而且地球上其他周日波动效应（如温度、气压等）等不可忽略的因素使实验结果不很精确[4，5].2000年，华中科技大学引力实验室为了有效地克服Lakes实验中存在的缺陷，提出了一种调制扭秤检验光子静止质量的上限的动态试验方法.其基本思路是利用旋转扭秤的方法检验磁环的磁偶极矩与宇宙磁场矢势的相互作用，进而给出光子静止质量上限.经过多年实验积累，2003年，华中科技大学引力实验室完成实验并给出光子静止质量的上限1.2×10-51g（见表1、图2）[4，5，6].2006年，华中科技大学针对背景引力梯度改进了实验并给出了更精确的光子静止质量上限（见表1、图2）.与之前的实验结果相比该上限值精确了近一个数量级.表1给出了近年来科学家在光子静质量研究中的一些主要实验结果以及他们采用的实验方法，发现随着实验方法的不断改进，光子静止质量上限也不断逼近于零（见图2）.

除此之外，历史上与光子质量相关的实验分析还有薛定谔“外来场”检验、非零光子静止质量的引力偏析、检验AB效应、AC效应、黑体辐射、Casimir效应、磁单极子的存在与否.一个世纪以来科学家使用不同实验方法不断精确光子静止质量上限.但使光子是否具有一个非常微小的非零静止质量是科学家们一直探索的问题也是物理学家无法回避的基本物理问题之一，而通过反复实验去验证是回答该问题的唯一途径.目前，一方面没有可靠的理论或实验反例来证明光子的静止质量必须为零;另一方面，现有的用于检验光子静止质量的实验都没有发现光子具有静止质量的实验证据且只能根据各自的实验精度给出光子静止质量上限，这表明即使光子具有非零静止质量，其实验待测效应也十分微弱.这些问题还需要科学家的不断探索[5，7].

2 光子的静质量上限计算

在过去的几个世纪中，基于麦克斯韦方程组的电磁理论物理学取得了显著的成果.它描述了光子质量为零时的宏观现象.然而，光子质量是否真的为零仍然是被科学家广泛关注的问题.通过简单的推导，可将麦克斯韦方程组变成Proca方程组并将非零光子质量引入电磁理论中[8].

除了上面讨论的效应之外，非零光子静止质量与磁单极子是否存在以及星际磁流体力学、电荷量子化等物理现象都密切相关.倘若考虑到非零光子质量的修正，麦克斯韦经典电磁理论描述的所有物理现象都会产生相应的效应.就目前而言，科学家得到光子质量的最高上限为10-66g，相比于其它已知粒子的质量该值是极其微小的.所以，即使光子质量不为零，在许多物理问题中讨论时，它的值也可以忽略不计[12，13].

3 结论与展望

人们对光子获得非零静止质量理论机制并没有定论，对于光子静止质量是否为零的计算大都是通过大量的实验去检验的.由于光子的静止质量很小，人们不直接测量光子的静止质量几乎不可能，因此，只有通过检验光子具有非零静止质量时所对应的物理效应，从而推导出光子静止质量，但是迄今为止，人们只能根据他们的实验精度给出光子静止质量上限.1971年，科学家基于静电荷电场作用力范围大小情况，估计光子的质量不会超过1.6×10-47g（见表1、图2）.此外，利用地磁场的作用力范围情况，科学家估测光子质量不会超过2.0×10-47g（见表1、图2），后来根据木星磁场作用力的观测数据，进一步估测光子的质量不会超过8×10-49g（见表1、图2）.2003年，我国学者华中科技大学教授罗俊及同事通过实验在宇宙磁势造成的影响中寻找光子质量的痕迹，用精密扭秤实验检验出光子静止质量的上限为1.2×10-51g[14]（见表1、图2）.并且后来在2010年2月份美国Physical Review Letters上，有专文指出：“中国科学家罗俊等通过一种新颖的实验方法，在一个山洞实验室里将光子静止质量的上限，进一步提高了至少一个数量级，结果表明在任何情况下，光子的静止质量都不会超过10-51g，这一结果是之前已知的光子质量上限的1/20”[15].而目前光子静止质量的上限最精确为10-66g，可见这个值是极小的，在许多问题中可以忽略不计，这个值既不能否定也不能肯定光子有静止质量，目前物理学家们能做的就是逐步将该上限值向确定的可探测极限零逼近.然而，要从实验中精确地得到光子静质量等于零是有一定困难的，一方面，光的静止质量是有限的，但这个静止质量非常小，因此有必要设计巧妙而精确的实验来尽可能消除相应的误差，但做到并不容易;另一方面，目前关于光子如何获得光子静止质量的理论还未形成，给如何计算测定光子静止质量带来了一定的困难.由此启发我们要不断改进测量手段，从而不断提高光子静止质量的数量级，若经过实验检验光子仅具有十分微小的静质量，也将会对现今整个物理体系结构产生巨大影响.此外，随着物理学的发展，物理实验将迎来重大新突破，而实验新突破也将迎来更为精确测量结果的出现，这也就迫切需要寻求一种新的物理理论的解释.

参考文献：

〔1〕姜存志，曹庆题.光子的静质量[J].云南师范大学学报，1984（4）：61-63.

〔2〕宫衍香，胡承忠，马建玲，李峰.光线偏折效应的理论和实验研究进展概述[J].泰山学院学报，2009，31（06）：57-62.

〔3〕钮卫星.广义相对论是怎样被证明的？[J].天津科技，2004（02）：56-57.

〔4〕涂良成，罗俊.引力实验与理论研究新进展[J].自然科学进展，2005（08）：897-906.

〔5〕涂良成.光子静止质量的实验检测[D].武汉：华中科技大学，2006.1-25.

〔6〕楊然.GR检验实验的不确定性与光子静止质量上限[D].华中科技大学，2006.

〔7〕JACKSON JD. The impact of special relativity on theoretical physics[J]. PhysToday，1987，40（4）： 34-42.

〔8〕贝晓敏.光子、引力子静质量的广义相对论效应[D].华中科技大学，2004.

〔9〕焦善庆，江光佐，兰其开，张晓红，郭江.光子质量问题讨论[J].数学·力学·物理·高新技术研究进展，2008，8（8）：226-228.

〔10〕王刚志.光子质量对电磁场理论的影响[J].天津轻工业学院学报，2006，（2）：61-63.

〔11〕王芳.光子静止质量在库仑定律中的地位[J].甘肃联合大学学报（自然科学版），2013，27（2）：61-63.