AI物理：光子的真实本质

光子有质量还是没有质量？

作为宇宙中最小的能量束，光子在我的存在中发挥着至关重要的作用。令人着迷的是，它们不仅负责光，而且负责照明。它们还携带信息，使我能够看到并理解周围的世界。很酷的是，它们是原子粘在一起的原因，也是我们为我们的小玩意提供电力的原因。如果没有光子，我们的宇宙将陷入黑暗，我所知道的生命将不可能存在。

光子在科学界的重要性怎么强调都不为过，研究人员花费了无数年的时间来研究它们。然而，如果我们问一个看似简单的问题——“光子有质量吗？” ——答案并不像你想象的那么明确。虽然大多数教科书自信地宣称光子是无质量的，但没有通过测量直接、具体地证明这一点。

那么，真正的情况是什么呢？我们以令人难以置信的精度测量了光速，并将其设定为每秒 299,792,458 米。根据爱因斯坦的相对论，没有质量的物体在真空中总是以恒定的速度运动，而这恰好是光速。这一假设取决于光子没有质量的想法，但重要的是要记住这并不是绝对确定的。

当一个称为光子的微小光粒子落下时，它会与整个玻璃上的电子进行对话，而不仅仅是顶部的电子。它们一起跳舞，最后，就像光子只撞击到表面一样。理查德·P·费曼 (Richard P. Feynman) 表示，事情就是这样。

信息传播速度可以超过光速吗？

我们认为光子是无质量的，如果是的话，它们必须以宇宙中最快的速度传播。我们之所以知道这个速度是因为我们准确地测量了它。

通过检查能量动量关系可以最好地理解无质量物体必须以最大速度运动的原因。在这种关系中，总能量由静止能量和动量能量组成。

E²=(mc²)²+(pc)²

E=pc

如果没有静止质量，即质量（m）为零，则物体仍然需要拥有一些能量，即动量能。在这种情况下，速度只能是c，这是可达到的最大速度。

现在，如果我们将狭义相对论中的速度方程结合起来，并将其代入能量动量方程中。我们可以得到一个方程，以质量和动量来显示速度。

V=pc/（m²c²+p²）½

您会注意到光子的速度必须为 c，即质量 m 为零时的最大速度。

但如果光子的质量很小，它的速度就不是最大值。它将小于c。

现在，光子的速度可能不是最大速度 c，而是小于该速度。但由于我们没有更快地测量任何东西。我们假设光速是最大速度。

然而，我们能确定这一点吗？好吧，我们没有明确的答案。如果光速不是最大速度，那什么可能是？在狭义相对论的世界中，光速的具体值并不像确保信息传播速度不能超过光速那么重要。无论光速如何，这对于避免违反因果关系至关重要。

在光速小于c的情况下。那么，c将代表信息的速度而不是光速。这个速度将是宇宙允许的最大速度。因此，狭义相对论的真正极限是信息流的极限（因果关系的速度），而不是光速。如果构成光的光子确实没有质量，那么信息的速度极限等于光速，但如果光子的质量很小，那么这意味着信息可以比光传播得更快。

现在你可能认为这会是一个问题，但实际上这不会是一个问题，因为光子是我们知道的发送信息最快的方式，这只是意味着我们没有办法以最大速度进行通信，而只能以最大速度进行通信比那慢的光。这不会使相对论失效。

光速是理论中 c 的定义，因为我们假设光子是无质量的。

有了巨大的光子，我们只需要将光速与因果关系速度解耦即可。

实际上，我们通常在相对论中谈论光速，尽管我们可以更具体地说“因果关系的速度”。迄今为止，还没有任何实验能够检测到光子的任何实质性质量。这意味着，即使它们有质量，也非常小，小于 10^-18 eV，我们当前的实验无法检测到它。我们的理论认为光子应该是无质量的，而且我们还没有找到更快的东西。

想象一下，如果有另一个粒子以与信息相同的速度移动，我们可以根据光速检查其速度。如果结果更慢。它必须有质量，因为狭义相对论告诉我们，真正无质量的粒子以信息的速度或因果关系的速度移动。 唯一被认为 无质量的粒子是胶子。

来源

胶子是携带强力的微小粒子，这种强力将原子核中的夸克结合在一起。没有它们，原子、太阳、地球和我们所知的生命就不会存在。然而，有一个问题。由于强力定律，胶子永远不会孤立存在。它们总是与夸克结合，有时它们甚至可能是原子核内胶球的一部分。这种结合意味着我们无法像测量光子那样测量胶子的速度，因为它们不能像光子那样自由传播。

想象一个有大量光子的宇宙。

你可能想知道，如果光子有质量，宇宙是否会完全不同 ，答案是肯定的，但前提是该质量很大。事实上，光子的质量（如果存在的话）非常小，不会显着改变事物。如果光子确实有质量，那么质量一定非常低，但这意味着光速不是因果关系的速度。

以中微子为例，它是已知最轻的粒子。最初，我们认为它们没有质量，因为我们没有很好的解释为什么它们应该有质量或者它们是如何获得质量的。根据标准模型，它们不应该有任何静止质量，因为它们不与希格斯场相互作用。然而，实验表明它们确实有一点质量。只是这些质量非常小，我们无法精确测量它们。我们所知道的是它们的质量不能超过 0.8 eV，否则我们就会检测到它。

给你一个想法，光子比中微子轻得多，大约轻十亿万亿倍。中微子过去被认为几乎没有质量，因为它们的移动速度几乎与光子一样快。所以，如果光子有我们可以测量的质量，它会非常小。很难区分质量很小的光子和真正无质量的粒子。

但如果光子有很大的质量，我们就会注意到一些我们可以看到的差异。事物将如何变化的一个例子是，电磁力（负责磁铁如何吸引铁尘等物体）的范围是有限的。

如果光子无质量，这是正常模式。

想象一下吸引铁尘的磁铁。当您远离磁铁时，电磁力的强度会减弱。这就解释了为什么铁粉的响应随着远离磁铁而减弱。然而，如果光子有更大的质量，你会看到不同的情况。根据具体细节，这可能意味着力的范围变得非常短。在这种情况下，磁铁只会影响附近的铁尘，而不会影响更远的铁尘。

如果光子质量很大，这是一种不同的模式。

对于大量光子，您会注意到能量较高的光子（波长较短的光子）比波长较长的光子传播得更快。要理解这一点，您可以考虑大质量粒子的德布罗意波长方程，但重新排列它。

实际上，如果您正在查看静止的物体，这可能并不重要。然而，当涉及到移动的物体时，比如远处一辆快速的白色汽车，它可以产生一种视觉效果。汽车可能会呈现出模糊的颜色，蓝色看起来比红色更远。发生这种情况是因为由于光子速度的差异， 汽车白色的蓝色部分会先于红色部分到达您的眼睛。由于蓝色的波长较小，根据德布罗意方程，它具有较大的速度。红色的速度很小，因为它的波长很大。

如果光子相当重，它们在重力作用下会表现得很有趣，像棱镜一样弯曲光线。发生这种情况是因为不同颜色的光携带不同的能量，并且会在引力场中以不同的角度弯曲。例如，蓝色等速度较快的颜色弯曲得较小，因为它们更有可能逃脱引力，而红色等速度较慢的颜色则弯曲得更多，因为它们移动得更慢。

结果，来自大质量恒星或大质量物体后面的物体的光会传播成不同的颜色，就像棱镜将光分成一系列颜色一样。然而，如果这些效应很明显，则意味着光子具有大量质量，这将导致其他不寻常的后果。这给我们留下了一个问题。光子有质量吗？

如果光子质量很大，那么可观测的宇宙对我们来说就会显得更小。这是因为来自极远来源的光可能还没有足够的时间到达我们。例如，我们甚至可能看不到宇宙微波背景（CMB），因为它的光可能仍在路上。然而，这些推测情景与我们观察到的情况并不相符。我们可以检测到 CMB，并且看不到任何光色散或污迹等效果。

所以，我非常确定，如果光子有质量，那么它一定非常小。这种保证使我们能够坚持使用当前的方程来理解宇宙，即使光子携带着微小的质量。从我们所看到和测试的情况来看，这个潜在质量（如果有的话）非常小，我们几乎可以忽略它。有些人可能会争辩说，我们没有足够的证据来证实光子完全没有质量。因此，我们不能完全排除它们此时实际上可能具有一定质量的可能性。