中國古代哲學(xué)道氣思想太極圖的物理學(xué)原理說明

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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(guān)心光子有沒有質(zhì)量，這似乎只是物理學(xué)家們操心的事。

問題的引出

物理的關(guān)鍵理論建立在一個假說之上，這個假說就是“光子的靜止質(zhì)量為0”。

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

光子有沒有靜止?fàn)顟B(tài)？以目前的理論不應(yīng)該有。光子只要產(chǎn)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。

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既然光子始終在運動，它不會靜止，為什么我們還要關(guān)注光子的靜止質(zhì)量？光子真的有靜止質(zhì)量嗎？光子的靜止質(zhì)量“不為0”到底有什么意義？物理學(xué)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(guān)注到光子的質(zhì)量，緣于2003年中科院院士羅俊率領(lǐng)華中科技大學(xué)引力實驗中心團隊對光子的研究成果。當(dāng)時羅院士的團隊通過動態(tài)扭秤調(diào)制實驗成功測量了光子的相對靜止質(zhì)量，將光子靜止質(zhì)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(tài)扭秤調(diào)制實驗裝置再次測量光子，又將光子靜止質(zhì)量上限數(shù)值提高到1.5×10⁻⁵²g的水平。這一實驗結(jié)果已被國際基本粒子物理數(shù)據(jù)組（PDG）收錄，作為電磁學(xué)及量子力學(xué)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(zhì)量的粒子，科學(xué)家是怎么做到的呢？

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羅俊團隊并不是第一個測量光子靜止質(zhì)量的科學(xué)家，近100年來，國際物理學(xué)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(zhì)量下限，或者逼近“能量時間不確定原理”（海森堡測不準關(guān)系）所設(shè)定的約10⁻⁶⁶g最低可探測極限。



一些代表性的光子質(zhì)量測量結(jié)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(xué)成就之一就是麥克斯韋電磁場理論，它的創(chuàng)立一舉奠定了現(xiàn)代電磁物理學(xué)的基礎(chǔ)，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(chuàng)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(shù)存在。

這意味著光子的靜止質(zhì)量要嚴格為0。如果光子擁有靜止質(zhì)量，哪怕是極其微小的質(zhì)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(xué)望遠鏡

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

為追求科學(xué)真理，物理學(xué)家們需要以科學(xué)的方法來證明光子有或者沒有非零的靜止質(zhì)量。包括上一節(jié)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(shù)值，說光子的靜止質(zhì)量真的不為0。

光子靜止質(zhì)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(guī)定了光子的靜止質(zhì)量必須為0。按照狹義相對論中物體運動質(zhì)量的公式：

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當(dāng)物體運動速度v達到光速c時，分母為0，其靜止質(zhì)量m0必須為0，哪怕m0只比0大任何一點點，其動質(zhì)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(zhì)量的。



愛因斯坦

麥克斯韋經(jīng)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(zhì)量嚴格為0的假設(shè)之上，如果光子的質(zhì)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(chǔ)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(dāng)光子相對靜止質(zhì)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(chǔ)對各種電磁現(xiàn)象進行檢驗，測量光子靜止質(zhì)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(zhì)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(xué)基礎(chǔ)理論外，它還會帶來以下重大影響：

1、破壞電動力學(xué)的規(guī)范不變性，使電動力學(xué)的一些基本性質(zhì)失去依據(jù)；

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(tài)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(chǎn)生色散（事實上科學(xué)家早已經(jīng)發(fā)現(xiàn)遙遠星球的色散現(xiàn)象，只是無法確定是不是因光子質(zhì)量引發(fā)）；

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(zhì)量以及光速恒定規(guī)則相關(guān)的一切理論、結(jié)論和推理都需要被拿出來重新討論。

總結(jié)：

盡管光子是否存在相對靜止質(zhì)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(xué)的影響將是革命性的。

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

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

無論“光子靜止質(zhì)量不為0”的結(jié)論是否成立，現(xiàn)代物理學(xué)理論必將不斷完善，科學(xué)也必將繼續(xù)前行。

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當(dāng)物體運動速度v達到光速c時，分母為0，其靜止質(zhì)量m0必須為0，哪怕m0只比0大任何一點點，其動質(zhì)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。

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有人會產(chǎn)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(jīng)被毀滅了，它們的恒星已經(jīng)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(guān)注我們，監(jiān)視我們。

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

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光速=(2c2)1/2

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光速=1.4 c

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c0=299792.458km/s （一般取300000km/s）