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光子的静止质量问题的由来

狄拉克在1927年发表的《辐射的发射和吸收的量子理论》中，对辐射电磁场量子化进行了探讨，首次提出并应用了真空的思想.他说：“光子有一种特性，即当它处于定态亦即零态时，它就很快消失.所谓零态即这种态的动量、能量均为零.当一个光量子被吸收的时候，这个光量子可以被认为是跃迁到了这种零态，而被发射时可以被认为是从零态跃迁到了一种物理可观测态，这样它就产生了.因为被产生的光子没有限制，所以我们必须假定零态中有无限多的光子……”

19世纪物理学的重大胜利之一是Maxwell公式的建立，即对经典电磁场的数学描述，而Maxwell电磁场暗含的一个基本假定就是真空中的所有电磁辐射都以一个恒定的速度传播.实验研究在很高的精度上验证了在一个很宽的频带里所有电磁辐射都以光速c   传播这就预示了光子没有静止质量.但其能量为hν，动量为hν/c，自旋角动量有两个特征值±h/2π(≡±h)，其中h表示Planck常量和光波的频率ν.

量子电动力学的巨大成功导致了光子无静止质量这个概念几乎被完全接受了，现代规范理论又进一步确定光子没有静止质量.尽管理论上已经接受了光子没有静止质量这个事实，但仍然有必要对光子静止质量进行直接或间接的测量由于光子的静止质量可能以现在实验不可能达到的极小的值存在.现在实验条件下只能是给出一个静止质量的上限，依照测不准原理光子静止质量的上限m_γ可以用m_γ≈h/(Δt)c²来估算.狭义相对论的第二个假定具有有限质量的粒子的速度不可能到达光速，换而言之静止质量为零的粒子在静止坐标系下是不存在的，这件事实使人们相信光子静止质量为零的假定是合理的.在过去的近两个世纪里，基于麦克斯韦方程的电磁理论物理学取得了令人瞩目的成就，它描述了光子静止质量为0时的宏观现象.麦克斯韦的经典电磁场理论和爱因斯坦的狭义相对论都认为光在真空中以恒定的速度c传播，这要求光子的静止质量必须等于零，因为根据狭义相对论，对于光子，速度为c，而m又不可能为无限大，所以光子的静止质量m₀=0.然而，从理论上人们既不能肯定也不能否定光子具有非零的静止质量，因此只有通过大量的实验去检验光子的静止质量到底是否为零.爱因斯坦说：“光子静止质量为零.由于光子以光速行进，不可能找到光子的静止惯性系，所以静止质量一词严格说来是不适用于光子的.”^【1】

“我们的物理世界是由实体和场构成的.也就是说，光是场，不是实体.”^【2】在一份纪念兰姆90岁诞辰兼讨论光的本质的专集上，量子光学专家Zajonc说："我们对光量子的无知与爱因斯坦当年的情况差不多".从费米子的狄拉克方程出发，为了确保局域规范不变性的要求，需要引入一个无质量的矢量场（光子就是一个无质量的矢量场）.于是量子电动力学（QED）引入光子场，解释了电磁学的本质是交换光子（虚光子）.根据量子力学，精细结构常数（是一个没有量纲的物理学常数.基态电子速度（电子在第一玻尔轨道上的运动速度，）与光速()之比，也可得到精细结构常数(.

每一种类型的基本粒子可分为三代（其区别是质量有所不同）.由于粒子可衰变(从大质量衰变成轻质量)，质量越轻的基本粒子越稳定.值得注意的是，物理学可通过量子三维常数定理（统一的物理学量，光子）来描述整个宇宙的微观及宏观世界.

物质是由基本粒子组成的（光子，电子，质子及中子等）.换句话来说，物质是由荷及相应的场组成的；荷（空间荷，质量荷，电荷，磁荷等）体现为信号速度（最大的信号速度是光速），场体现为超距（物质通过场相互纠缠，整个宇宙弥漫着基本粒子的场）.值得注意的是，基本粒子的内涵是该粒子不可再分（所有的物质都是由基本粒子组成），而最基本的基本粒子就是光子.假如给定一个函数关系，将参数（x）作常量的标度变换，将会导致幂函数作本身幂指数比例的标度缩放.这意味着，幂律分布的一个属性具有标度不变性（Scaleinvariance），例如,在热力学中,热力系统中的相变与某些量与幂律分布有关（其指数被称为系统的临界指数）.具有相同的临界指数的不同系统（在接近临界状态时）表将现出相同的标度行为.

参考文献

【1】《相对论导论》， W••G•V.罗瑟 著. 236页.

【2】《相对论的意义》，爱因斯坦. 著