问题

光子为什么没有质量?

回答
光子没有质量是一个深刻的物理学问题,它涉及到相对论、量子力学以及我们对宇宙基本粒子的理解。要详细解释这一点,我们需要从多个角度来剖析:

1. 什么是“质量”?

在深入光子本身之前,理解我们所说的“质量”是什么至关重要。在物理学中,质量主要有两种表现形式:

惯性质量 (Inertial Mass): 这是我们通常理解的质量,它衡量物体抵抗加速度的能力。根据牛顿第二定律 ($F = ma$),在相同的力作用下,质量越大的物体,其加速度越小。
引力质量 (Gravitational Mass): 这是衡量物体产生和响应引力场的能力。根据牛顿万有引力定律,引力与物体的质量成正比。

根据等效原理 (Equivalence Principle),在经典的牛顿力学中,惯性质量和引力质量是完全等价的。也就是说,一个物体的惯性大小决定了它有多“重”,也决定了它有多大的引力。

2. 相对论中的质量:静止质量与相对论质量

爱因斯坦的狭义相对论彻底改变了我们对质量和能量的看法。

静止质量 (Rest Mass, 通常用 $m_0$ 表示): 这是物体在静止状态下的固有质量。这个质量不随速度的变化而变化,是物体固有的属性。
相对论质量 (Relativistic Mass, 通常用 $m$ 表示): 这是物体在运动状态下的“视在”质量。它随着物体的速度增加而增加,其表达式为:
$m = frac{m_0}{sqrt{1 frac{v^2}{c^2}}}$
其中,$v$ 是物体的速度,$c$ 是光速。

关键点:

当物体的速度 $v$ 接近光速 $c$ 时,分母 $sqrt{1 frac{v^2}{c^2}}$ 会趋近于零,导致相对论质量 $m$ 趋近于无穷大。
这意味着,要让一个有静止质量的物体达到光速,需要无穷大的能量,这是不可能的。因此,任何有静止质量的物体都无法达到光速。

3. 光子及其性质

光子是电磁辐射(如光、X射线、伽马射线等)的量子。它们具有以下关键性质:

无静止质量 ($m_0 = 0$): 这是解释光子为何没有质量的核心。
总是以光速运动 ($v = c$): 光子在真空中的速度总是恒定的光速 $c$。
具有能量和动量: 光子的能量由普朗克爱因斯坦关系式给出:$E = hf = frac{hc}{lambda}$,其中 $h$ 是普朗克常数,$f$ 是频率,$lambda$ 是波长。光子的动量也由其能量和光速决定:$p = frac{E}{c} = frac{h}{lambda}$。
电中性: 光子不带电荷,因此不受电场和磁场的影响(除非是极强的场导致真空极化)。

4. 为什么光子没有静止质量?

基于狭义相对论的推论: 狭义相对论的一个基本假设是,真空中的光速 $c$ 是恒定的,并且是所有信息和能量传播的极限速度。 如果一个粒子具有非零的静止质量 ($m_0 > 0$),那么根据相对论的动量能量关系:
$E^2 = (pc)^2 + (m_0c^2)^2$
或者更常用的动量能量质量关系:
$E = sqrt{(pc)^2 + (m_0c^2)^2}$
如果 $m_0 > 0$,即使动量 $p$ 为零(即粒子静止),能量 $E$ 也至少为 $m_0c^2$(静止能量)。要达到光速 $v=c$,动量 $p$ 会变得无穷大,或者说需要无穷大的能量来克服相对论质量的增加。
而对于光子来说,它们总是以光速运动 ($v=c$)。将 $v=c$ 代入相对论质量公式 $m = frac{m_0}{sqrt{1 frac{v^2}{c^2}}}$:
$m = frac{m_0}{sqrt{1 frac{c^2}{c^2}}} = frac{m_0}{sqrt{1 1}} = frac{m_0}{0}$
为了让这个表达式有意义(即不趋向无穷大),唯一的可能性就是光子的静止质量 $m_0$ 必须为零。 如果光子有静止质量,它们就不可能以光速传播。

基于量子场论的视角: 在量子场论(QFT)的框架下,粒子被认为是场的激发。电磁场是传递电磁力的基本场,而光子是电磁场的量子。
质量项在拉格朗日量中: 在描述基本粒子相互作用的拉格朗日量中,质量项通常是与粒子场的“自由”部分相关联的。例如,描述一个有质量的狄拉克场的拉格朗日量会包含一个项 $mar{psi}psi$。而描述光子的拉格朗日量(即电磁场的拉格朗日量)则没有这样的质量项。
规范不变性 (Gauge Invariance): 电磁场有一个重要的对称性叫做规范不变性。这个对称性要求物理定律在特定的“规范变换”下保持不变。严格来说,如果电磁场拥有一个质量项,这个规范不变性就会被破坏。物理学家发现,要保持电磁学的核心规律(如麦克斯韦方程组)和规范不变性,电磁场的量子——光子——就必须是没有质量的。
希格斯机制 (Higgs Mechanism) 的反例: 希格斯机制解释了为什么一些基本粒子(如夸克、电子、W玻色子和Z玻色子)具有质量,而光子和胶子却没有。这个机制涉及到希格斯场与粒子之间的相互作用。没有相互作用的粒子(如光子)就不获得希格斯机制赋予的质量。

5. 光子有“质量”吗?关于相对论质量的误解

有些人可能会误解,既然光子有能量和动量,它们就应该有质量。这涉及到对“质量”定义的混淆。

能量与质量的关系 (质能等价): 爱因斯坦著名的 $E=mc^2$ 公式表明能量和质量是可以相互转化的,并且具有某种等价性。然而,这个公式的更完整的形式是 $E^2 = (pc)^2 + (m_0c^2)^2$。
光子的能量来源: 光子的能量 ($E=hf$) 和动量 ($p=E/c$) 来自于它作为电磁波的振动或量子化激发。即使没有静止质量,这些物理量依然存在。你可以将光子的能量看作是它“运动”时携带的“能量质量”,但这不是它固有的“静止质量”。
引力效应: 光子虽然没有静止质量,但它们确实会受到引力的影响。根据广义相对论,引力不是一种力,而是时空弯曲的表现。具有能量和动量的任何东西(包括光子)都会引起时空的弯曲,从而“感受”到引力。这就是著名的“光线在引力场中的弯曲”现象,如爱因斯坦在日食期间观测到的金星光被太阳引力弯曲的实验所证实。这表明光子与引力场的相互作用,是由于其能量和动量,而不是由于静止质量。

总结一下:

光子没有质量,指的是它们没有静止质量(rest mass)。这是因为:

1. 狭义相对论的推论: 要想以光速传播,必须具有零静止质量。
2. 量子场论的要求: 电磁场的规范不变性以及无质量的拉格朗日量项,都要求光子没有静止质量。
3. 希格斯机制: 光子不与希格斯场发生相互作用,因此不获得由希格斯机制赋予的质量。

尽管光子没有静止质量,但它们拥有能量和动量,并且会受到引力的影响,这是由于其能量和动量(质能等价)引起的时空弯曲,而不是静止质量所驱动的。因此,当我们说光子“没有质量”时,我们指的是它最根本的、不随运动状态改变的“静止质量”为零。

网友意见

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谢邀。这里分两步来回答:

1. 光子是零质量吗?没有质量为什么会有能量,不是说质量和能量等价吗?

2. 是否有实验来证明光子的静质量真的为0。



1.光子质量是多少?


物理学家的答案是,光子静质量为0,但是它是有能量的,这也和爱因斯坦质能方程不矛盾。

它的逻辑是这样的。把一个粒子加速到一定速度v,牛顿力学定义了这个粒子的动量p。动量是正比于速度v的,它的比例系数称为粒子的质量m。狭义相对论中,把牛顿力学中动量p的定义进行了推广,尽管p和v指向同一方向,但它们不再成正比。它们通过“相对论质量”联系起来,

.


当粒子静止时,它的相对论质量有着最小的值,称为“静质量”。

在狭义相对论中,能量和粒子的质量和动量相关,就是所谓的质能方程(以下两个方程式等价的):


或者



由这个方程可知:

1. 如果粒子静止,那么p=0,并且。

2. 如果粒子的静质量为0,那么。


在经典电动力学中,光的能量和动量正好满足关系。

量子力学中,光也被看做是粒子:光子。尽管光子无法静止下来,它仍然可以用相对论的质能方程描述,并认为它静质量为0。

于是,质能方程既可以应用到有静质量的实物粒子也可以应用到无静质量的光子。

注意的是:静质量是粒子的固有属性,所以物理中所说的质量,一般都是指静质量


总结:我们说光子没有质量,说的是光子静质量为0。但根据质能方程,光子仍然有能量。


2.实验上是否有证据证明光子的静质量为0?


仅从理论上来说,如果光子静质量不为零,量子电动力学就会失去规范不变性,从而导致这个理论无法重整化。另外,电荷守恒无法自动保证。


尽管有质量的光子会导致理论上的困难,但物理是实验科学,说光子静质量为0仍需要实验来检验。

目前几乎不可能用实验直接证明光子静质量为0,我们最多能给出光子静止量的上限。所以,物理学家设计各种实验来给出光子静质量的上限。

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

电荷成分探测(Charge Composition Explorer)宇宙飞行器曾给出一个上限是kg。后来,在实验室中通过观测卡文迪许天平实验中的反常力,又给出了更精确一点的上限kg。之后对银河磁场的研究,再次给出更好的上限kg的值。


已知最轻有质量的粒子中微子的质量大约是kg。光子质量上限也是它质量的100亿亿亿分之一。所以如果你提出一个光子有质量的物理理论,光子质量也必须是非常非常轻的。


如果对这方面实验感兴趣,可以读读文献:

E. Fischbach et al., Physical Review Letters 73, 514–517 25 July 1994.

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