光子有质量吗

光子有质量吗
说法一
光子具有质量，也具有动量和能量。

光子由于无法静止，所以它没有静止质量。

光子即光量子，是传递电磁相
互作用的基本粒子，是一种规范玻色子，在1905年由爱因斯坦提出。

光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒
介子。

说法二
光子有质量但没有静止质量，因为如果光子有静止质量，那么根据狭义相
对论，光子在以光速飞行（光子会且仅会以光速运动）时质量就会变得无穷大，而我们观测的结果是，光子的质量是有限的，这和假设矛盾。

狭义相对论中的
质能方程告诉我们，能量和质量是等价的，我们说一个物体的质量为m同时也
在表达这个物体蕴含的总能量是E=mc2，所以说认为发光物体的能量转换成质
量是没有问题的。

说法三
什么是光子的质量？
这个问题分为两个部分：
光子有质量吗？毕竟它有能量，能量是相当于质量的。

光子在传统上被认为无质量。

这是一种物理学家的比喻说法，为了用狭义
相对论描述光子的粒子性质。

这个逻辑能用很多方式构造，下面就是一个例子。

用一个孤立系统（称为
一个“粒子”），使它加快一些速度v（一个矢量）。

牛顿定义了这个粒子
（也是一个矢量）的动量p。

如此这般，当这个粒子加速时或者碰撞时，p就会以一种简单的方式运动。

为了保持这种简单行为，p必须和v成正比。

这个比
例常数被称为这个粒子的质量m，因此p=mv。

在狭义相对论中，原来我们依然能定义一个粒子的动量p，这样使它以一
种定义明确的方式运动，这是牛顿学说的一种延伸。

尽管p和v仍然吗指向相
同的方向，但是他们不再成比例。

我们最好能做的是通过粒子的“相对质量”（"relativistic mass"）mrel联系它们。

因此，p = mrelv ，当粒子静止时，
它的相对质量有一个最小值，被称为“静止质量（rest mass）” mrest。

同一类型粒子的静止质量总是相同的。

例如，所有的质子拥有完全相同的静止质量，因此所有电子也一样，所有中子也一样。

当这个粒子被加速到更高速度的时候，它的相对质量将会无限增加。

事实证明，在狭义相对论中，我们能够定义能量
E的概念，以至于E具有简单而明确的性质，就像在牛顿力学中一样。

当一个
粒子被加速，使它有一些动量p（矢量的长度p）和相对质量mrel，那么它的
能量是被给予的，通过：
E= mrelc2 , 以及 E2 = p2c2 + m2restc4 . (1)
后一个方程有两个有趣的例子：
1.如果这个粒子是静止的，那么p = 0, E = mrestc2
2.如果我们设置静止质量等于零（不管那是否合理），那么E = pc。

在经典电磁理论中，光的能量是E，动量是p，它们之间的关系是 E = pc。

量子力学引入了这样一种观点：光可以被看作是一种“粒子”的集合：光子。

即使光子不能静止，所以静止质量的观点不能真的适用于他们，但我们肯定能
把光的“粒子”带入折叠方程(1)，只要考虑到它们没有静止质量。

那样，方程(1)给出了光的正确表达式，E = pc，而且没有任何损失。

方程(1)现在能够应
用于物质的粒子和光的“粒子”了。

它现在可以作为一个完全通用的方程来使用，这使得它非常有用。

有没有任何实验证据表明光子的静止质量为零？
可供选择的光子理论包括一个表现为质量的术语，引起了一种非常先进的
观点“大质量光子”。

如果光子的静止质量是不为零的，那么量子电动力学将“陷入困境”，这主要是因为损失了规范不变性，这将使它不可重整。

同样，
电荷守恒不再是绝对的保证，就像光子的静止质量为零一样。

但是，不管任何
理论预测了什么，仍然有必要通过实验来验证这个预测。

几乎可以肯定的是，做任何实验都不可能使光子的静止质量恰好为零。

我
们所能做到最好的是对它加以限制。

非零静止质量将会在静电力的平方反比库
仑定律中引入一个小的阻尼因数。

这意味着在非常大的距离上静电力会变弱。

同样地，静磁场的行为也会改变。

光子质量的上限可以通过行星磁场的卫
星测量值来推断。

电荷组合探测器被用来获得6×1016 eV的上限，具有很高的确定性。

1998年，罗德里克·拉克斯在一项寻找卡文迪什平衡上的异常力的实
验室实验中，略微改善了这一点。

新的极限是7×1017 eV。

对银河系磁场的研
究表明，小于3×1027 eV的限制要好得多，但对于这种方法的有效性还存在一些疑问。