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测量光子静止质量的方法

直到现在，人们对光子获得非零静止质量理论机制并没有定论，所以只有通过大量的实验去检验光子的静止质量是否为零.由于光子的静止质量很小，人们不可能直接测量光子的静止质量，只有通过检验光子具有非零静止质量时所对应的物理效应，从而推导出光子静止质量.光子静止质量不为零时所对应的物理效应有：真空中光速的色散效应、静态电磁场的Yukawa势、纵向虚光子的出现、AB(AharonovandBohm) 和AC(AharonovandCasher)效应、磁单极子的存在与否、Casimir效应的修正和有限光子质量的引力偏折等等.所有这些效应都是人们检验光子静止质量的基础.长期以来，人们做了大量的实验，但是到目前为止，所有检验光子静止质量的实验都是零结果，人们只能根据他们的实验精度给出光子静止质量上限.真空中光速的色散效应是人们检验光子静止质量的一个常用方法，除此之外，与光子静止质量有关的色散效应还有等离子体的色散和星际磁流体力学波的色散等，它们也曾被科学家们用来检验光子静止质量上限.

1.星光到达地球的时间差

测量不同频率的光走过相同一段路程所用的时间之差t的微元来确立光子的静质量μ₀.方程(1.2-2.8)表明，t与L成正比.路程L越长，效应就越大.因此，我们可以测量远方星体在同一时刻发射的不同频率的电磁幅射到达地球的时间差，比如，利用双星和脉冲星就可做这类观测.

需要强调的是，星光的色散效应除了用光子静质量解释外，还可以用电磁场的非线性效应和等离子体色散效应来解释.在远第星体与地球之间的巨大星际空间里存在着极其稀薄的星际介质(等离子体)，这些等离子体引起的色散与μ引起的色散完全类似.这是利用星光色散确立光子静质量的主要障碍.下面我们先简略介绍一下光波在等离子体中的色散效应.

2.双星观测

德布罗意(deBroglie)1940年提出了利用双星来确立光子静质量的方法.双星是在一个椭圆轨道中不停地旋转的二颗星体(例如，将它们分别叫做S₁星和S₂星).在某一时刻，S₁星把S₂星挡住，使我们看不到S₂星.随后，S₁星从S₂星背后显露出来，此刻测量S₂星发射的不同频率的光波到达地球的时间之差.

3.脉冲星观测

脉冲星的发现为检验光的色散现象提供了一种新的手段.虽然脉冲星在同一个脉冲里发射的频率相近的两列光波色散很小，但是脉冲星到地球的距离很远，这两列光波到达地球的时间差大得足以观测到.脉冲星发射的无线电波的色散效应通常是以等效平均电子密度给出的.对于脉冲星NP0532Staelin等人(1968)给出≤2.810^-2厘米^-3，Feinbertg(1969)假定观察到的NPO532脉冲星的色散效应主要是光子静质量引起的.

4.光子静止质量的最新测量结果

最近由于物理实验的重大新突破，即由于单个光子质量实验的精确测定结果和用原子的发射光谱对氢原子、氦离子、氦原子内电子的运动瞬时速度和轨道半径的精确测量结果的出现，迫切需要寻求一种新物理理论的新解释.

2003年3月的《物理学评论快报》发表了一篇文章，说中国科学家、武汉华中科技大学教授罗俊及同事通过实验在宇宙磁势造成的影响中寻找光子质量的痕迹，用精密扭秤检验出光子静止质量的上限为10^-48千克.在2010年2月28日出版的美国《物理学评论快报》（PhysicalReviewLetters）上，有专文介绍说：“一项由中国科学家罗俊等完成的新的实验表明，在任何情况下，光子的静止质量都不会超过10^-54千克，这一结果是之前已知的光子质量上限的0.05.”罗俊和他的同事通过一种新颖的实验方法，在一个山洞实验室里将光子静止质量的上限，进一步提高了至少一个数量级.它使我们再次认识到精确验证电力平方反比律，即确定δ下限的重要性.描写电磁相互作用的局域规范理论称为阿贝尔规范场理论.光波是不应该有惯性质量的.如果有，则会产生一系列的问题.如：假设光波有惯性质量.则光波通过介质后其速度无疑会减少.但实际的情况恰恰相反.光波通过介质后速度不但不减少，反而其速度有时会增加.而这显然与光波具有惯性质量矛盾.所以光波哪怕是具有一点点惯性质量，都将与我们所观察到的物理事实相违背.长期以来，人们就试图利用各种电磁学现象检验麦克斯韦电磁理论的正确性，检验光子静质量是否为零.这些实验也是对真空光速不变原理的一种检验.

前几年，华中科技大学的罗俊教授和他的研究生涂成良就做了测定光子静止质量的实验.测定光子静止质量为1.5×10^-55千克，论文“实验检验光子静止质量的研究进展”发表在2006年09期的物理杂志上.现代物理实验用天体物理的磁压法得出的m_γ的最强限制为m_γ＜10^-60克，既不能否定也不能肯定光子有引力静止质量.在麦克斯韦电磁场的拉格朗日理论中，电磁场的拉格朗日密度是由场变量(势函数)Al的一阶导数¶Al/¶xm构成的双线型的，在洛仑兹变换下的不变量(标量)和在相角变换(U(r)规范变换)下的不变量.用这样的拉格朗日量，通过对场变量变分得到的方程就是麦克斯韦电磁场方程.现在，我们放弃U(r)规范不变性这个条件，因此通常的拉格朗日量中需要增加一项μ²A_rA_ν，这是与质量有关的项.

历史上对彗尾的尾巴现象解释首先是光压说，但是近代物理学家发现光根本不具有如此威力，甚至光是否存在压力都受到了人们的怀疑，军事专家的观点更支持我们，《军事学教程》中言：“激光武器的特点：不产生后坐力，是一种无惯性武器.”近代实验也发现原子核向外发射出能量极高的Y光子时并不做反冲运动（近代理论认为能量越大的光子其动量越大）.我们应该怀疑麦克斯韦所预言的光压了.经典物理后来又转用太阳风来解释彗尾，但目前的研究发现，地球外的宇宙射线是各向同性的，来源于太阳方向上是宇宙射线并不比其他方向上是多，而且宇宙射线来源于那里至今仍是个迷，后来人们发现宇宙射线中有一些“低能质子”的多少与太阳黑子活动存在某种联系，于是认为“低能质子”就是太阳风，但仍然存在两个困难，一是“低能质子”也是各向同性的，二是我们还不清楚是“低能质子”的变化引起太阳黑子活动呢还是太阳黑子活动引起“低能质子”的变化.

中国相对论专家、中国科学院理论物理研究所的张元仲先生收集了19个，放在他的科学出版社1979年9月第1版的《狭义相对论实验基础》第182页表6.2中．这些实验的结果是：光子静质量不为零，且在下述范围内：g≤≤g.