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【墨香溢苑】 光子可能有质量
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光子可能有质量

光子的概念首先是爱因斯坦提出来的,爱因斯坦认为,光波具有粒子性,这种粒子就叫光子,他还假设,光子的速度是宇宙中最快的速度,用C来表示。这种假设只是他的一种硬性规定而已,并没有什么理由,也许是他觉得宇宙中没有比光子在真空中的运动速度再快的速度了。

由于有了这个假设,根据理论公式,爱因斯坦得出了光子的静止质量为零的结论。这个结论让一些科学家感到怀疑,一种没有质量的粒子还真让人难以接受。于是这些科学家设想了另一种可能性——

也许宇宙中有个最大速度,但光子的速度,即使是在真空中的速度,也不一定能达到最大速度,毕竟我们还不知道宇宙中的最大速度到底是多少,有可能比光速大,有可能就是光速。如果光速就是宇宙中的最大速度,那么从理论公式推导,光子的质量就是零,若光速小于宇宙的最大速度,计算的结果,光子的质量就不是零了。

光子质量是否为零,决定了我们所掌握的很多物理定律是否正确,因此这可不是科学家随便寻开心,假设了一些东西来玩。既然说光子质量可能不为零,那就得拿出证据来,比如的确测量到了光子的质量。

其实自1930年以来,就不断有科学家提出,光子很可能是有质量的。既然光子的质量不一定为零,那么如果光子有质量会怎么样呢?

最好是它表现出的效应能让我们测出它的质量是多少,给我们一个质量大小的范围也行啊。

如果光子有质量,不同能量的。光子,速度就会不同,也就是不同频率的光子会以不同的速度前进,高频率的光子要比低频率的光子速度快。说起来很简单,但光子的质量非常非常小,而高频率的光子与低频率的光子之间的速度差异就更小了,要比较两个质量不同的光子非常细微的质量差异,简直难比登天!

别急,科学家想到了一个巧妙的法子:如果让许多光子跑很长的距离,若它们的确有速度差别,我们就可以看出谁快谁慢,速度相差多少也可以计算出来了。这就像速度差不多的汽车在跑道上跑一圈,几乎看不出差别,但是让它们跑上100圈就看出速度的差别了。

但对于光这么快的速度,只能利用宇宙范围的距离,才能看出它们的速度差异。科学家想到了宇宙中的脉冲星,脉冲星是一种不断从磁极向外辐射电磁波的中子星,由于它向外辐射电磁波的磁极与自转轴不在同一直线上,电磁波辐射出去的效果就像在地球上有人用激光探照灯向太空照一样,于是快速自转的中子星发射的电磁波经常会定期地扫过地球。在观测脉冲星的过程中,科学家经常是先观测到高频电波,之后低频电波才来到。这说明低频电波确实存在速度滞后的现象。

但是就此说光子有质量,还言之过早。一些科学家认为,宇宙空间的稀薄物质对于不同频率的电磁波影响也不同,往往是低频电磁波受影响最大,因此我们现在不能完全判定光子有质量。

一计不成,再来一计。科学家想到了从电磁场的角度检验光子是否有质量。

根据物理学上的库仑定律,两个电荷之间的作用力与两电荷之间距离的平方成反比关系。根据这种关系,只要电荷的质量不为零,不论两电荷之间距离有多远,两者之间的作用力都不可能是零,因此电磁场的作用范围会是无限大。

但无限大这个概念只是个想像的概念,现实中根本就不存在无限或无穷的情况,就连我们的宇宙也不是无穷大的。因此,电磁场的作用范围不可能无限大,并且根据电磁学理论分析,虽然在库仑定律公式中没光子什么事儿,但由于电磁作用是靠光子来传递的,只有光子质量为零,电磁场的作用范围才有可能是无限大。反过来,由于电磁场的作用范围并不是无限大,我们就可以推论,光子的质量就不可能为零。

这种说法是有根据的,因为粒子物理学中就有个公式,表示的是:力的作用范围与传递力的粒子质量成反比。拿中子与质子之间的强作用力来说吧,这种强作用力是由一种粒子来传递的。1930年代,科学家就预测传递强作用力的粒子有质量,质量大约是质子质量的1/10。到了1940年代,传递强作用力的丌介子找到了,它的实际质量与预测质量很接近。这就验证了力的作用范围与传递力的粒子质量成反比的说法,

由此可以推测,如果电磁场的作用范围不是无限大,那么光子就是有质量的,并且光子的质量越大,电磁场的范围就会越小。

在新思路的指导下,科学家设计出新的电磁作用与距离的关系式,在这个关系式中,电磁作用除了与电荷、距离有关,还与光子质量有关。因此通过测量电磁场范围大、小.就可以求出光子质量了。

1971年,科学家根据静电荷电场的作用力范围大小情况,估计出光子的质量不会超过2×l0-50千克。此外,利用地磁场的作用力范围情况,科学家估测光子质量不会超过4×10´51千克,后来根据木星磁场作用力的观测数据,进一步估测光子的质量不会超过8 xl0-52千克。
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