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为什么光没有质量?物理学家的回答你或许不会想到

2020.02.11

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  当理论和实践发生冲突,我们如何测量光的质量?

  好吧,这个问题真的吸引了相当多各种各样的答案!但是如果有人问我这个问题,我会给出一个与众不同的回答。

  问题的关键在于你的直觉是错的。首先,如果你认为,那从这个假设开始就错了。你身边的物体都有质量,这种经验让你形成了这个观点,但这并不具有普适性。

  


  任何没有质量的东西都只能以光速为唯一一种移动方式。所以这类东西不是你经验的一部分,因为在你意识到他们的存在以前,他们就已经消逝,或者在你意识到他们的那个瞬间,他们就被摧毁了(就好像是当你盯着屏幕时射入你眼睛的光)。所以你对于无质量的物体不存在任何牢固的经验,你的结论就是没有这样的事情。

  


  现在,质量这个词语有不同的含义。在一种意义上来讲,它是能量的同义词,那么毫无疑问光可以传播能量,你可以据此推断出光有质量。但是这并没有多少意义,比如说,你不能把这个定理用在衡量实质物体上。它是一个非常有用的值,不会影响光移动或加速的难度,但它不会直接告诉你光如何影响重力等诸类问题的答案,因此我们只能认为这是一个关于质量的比较匮乏的定义。

  


  质量的另一种概念,其他人称之为“静止质量”或“适当质量”。粒子物理学家运用术语时常常表达的是这一种定义,因为对他们来说这正是这个概念的有用和有趣的方面。在能源方面,它是衡量合成一个粒子所需的最小能量的尺度;在日常的概念中,它就是当你谈到物品的构成时所想到的那个质量。

  光没有最小能量,也没有静止质量,因此它以无质量物体所能达到的唯一速度(也就是光速)运动。它有一些与你可以将它与物体联系起来的属性,比如说速度(虽然它仅仅只有一种可能的速度)或者位置(有一定程度的模糊);但也有一些不同的,比如说加速度和对空间的占据(从取代其他物体位置的角度来看)。

  


  好,首先,光没有静止质量,也就是说,你不能截留一个光子并且测量它的质量,这不存在可能性,就像静止的光子(在真空里)不可能存在一样。

  但是一个实际的光子是有质量能量的,你可以制作一个布满镜子的盒子,让光线照进去不停地来回反射,原则上,你就可以通过盒子重量的微小增加来测量光子的质量能量。(尽管制作一个这样的盒子可行性并不高,但是还有一些类似的东西存在:对于星体,尤其是超巨星来说,它们质量的很大一部分是以被捕获的辐射的形式存在的,换一种方式来说,就是光子气体的形式。)

  同时,“物体”并不是质量的同义词。光子也有别的譬如角动量一样的特性。当涉及到重力时,所有这些属性共同决定一个物体如何产生一个引力场并与之发生反应。静止质量只是这些参数中的一个。(即使在低速、弱磁场中,也就是在我们的日常经验中,它也是最重要的。)

  


  最后,至于为什么光子是这样的:这类课程通常不在本科时期教授。麦克斯韦方程是数学恒等式,实现它唯一需要的是电荷的(数学)定义,电荷可以用不同的方式定义,最后得到一组修改过的方程,也就是所谓的普罗卡方程,它描述了一种假设的电磁形式,其中光子确实具有非零的静止质量。为什么自然选择了麦克斯韦而非普罗卡?这可能是物理学家们永远无法回答的一个问题。虽然我注意到,自然同时选择了他们:实际上,弱相互作用的Z玻色子就像一个非常重的、巨大的光子。

  最简洁的版本:我们尚不清楚原因

  短文版:从物理方面来说,我们有恒等式的理论和可以验证我们的恒等式是否正确地解释了这个世界的实验方法。这么做的结果就是,如果我们把光子的质量设为零,它们就能正常运行,这就是最主要的原因。

  


  完整版:现代理论物理学的迷人之处在于有多少事情只是一些基本原理和对称性的数学结果。我们得出一些基本的原理和恒等式,找到契合恒等式的数学模型,然后我们突然发现,这些物体的一些纯粹的数学性质可以用来描述我们从经验中体会到的许多事情。当我们保持所描述系统的行为不变,改变恒等式中的一些参数时,它被称为对称性并且通常意味着有守恒量的存在。我们把从空间平移的对称性中得到的守恒量称为动量,从时间平移的对称性中得到的称为能量,从旋转的对称性中得到的则称为角动量。除此之外还有一些不明显的对称性,在量子力学中,我们研究波函数,它们的值是复数,就像二维向量,有振幅(长度)和相位(角度)。我们可以通过长度预测某些结果发生的概率,但是我们通常不会观察相位,所以有可能存在一些对称性。

  


  我们可以设定一个基本原则,即所有交互都是局部的,我在这里进行的行为不会立刻影响到火星上发生的一切;任何变化都是从一个点传播到它相邻的物体,再传播到它的相邻的物体,并以此类推下去;任何变化都需要时间才能从A传播到B;在一个给定的点上发生的每件事都是由那个点上的东西和它的近邻决定的。这就叫作局部性,当它与未观察到的相位的对称性相结合时,我们就可以得到“规范不变性”的概念:系统的行为不应当依赖于我们选择定义在每个点上的复数的“角度”的方法。根据规范不变性原理,我们得到了直接的数学结果:它引入与初始场相互作用的额外场,产生了规范玻色子,比如光子,W和Z玻色子和胶子,正如动量来自于坐标移动的对称性,光子也来自于复数和局域性的某种对称性。     

  


  但是当理论与实践相结合时,我们就遇到了难题:这种引入规范玻色子的机制假设它们是无质量的,但是从实验数据中我们可以推测出一些玻色子(比如W和Z)是存在质量的。所以物理学家们只得发明另一种场——希格斯场,通过与这个场的相互作用得到粒子的质量,所以我们最终得到了很多之间可以相互反应的场域:一个域在给定点的值不仅取决于它的当前形式,还取决于其他域的值,并且一些耦合常数显示了两个域之间的相互依赖程度。一些场依赖于希格斯场,因此它们的波纹,即所谓的粒子,是具有质量的。另一些场则相反,不依赖于希格斯场且粒子无质量。这全部是由耦合常数决定的,但通常我们并不知道为什么这些常数有特定的值,所以我们仅仅只是在实验中测量它。据我所知,最终我们依旧不清楚为什么玻色子具有质量而其他粒子没有,尽管它们都是从等式和对称性和局部性的基本原理中产生的。

  参考资料

  1.维基百科全书

  2.天文学名词

  3. Starria- quora

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