3、測(cè)量光子靜止質(zhì)量的方法

1、3、測(cè)量光子靜止質(zhì)量的方法直到現(xiàn)在，人們對(duì)光子獲得非零靜止質(zhì)量理論機(jī)制并沒(méi)有定論，所以只有通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn)光子的靜止質(zhì)量是否為零。由于光子的靜止質(zhì)量很小，人們不可能直接測(cè)量光子從而推導(dǎo)出光子靜的靜止質(zhì)量，只有通過(guò)檢驗(yàn)光子具有非零靜止質(zhì)量時(shí)所對(duì)應(yīng)的物理效應(yīng),止質(zhì)量。光子靜止質(zhì)量不為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的物理效應(yīng)有:真空中光速的色散效應(yīng)、靜態(tài)電磁場(chǎng)的 Yukawa 勢(shì)、縱向虛光子的出現(xiàn)、AB (Aharo nov and Bohm)和 AC (Aharo nov and效應(yīng)的修正和有限光子質(zhì)量的引力偏折Casher)效應(yīng)、磁單極子的存在與否、Casimir等等。所有這些效應(yīng)都是人們檢驗(yàn)光子靜止質(zhì)量的基礎(chǔ)

2、。長(zhǎng)期以來(lái)，人們做了大量的實(shí)驗(yàn),人們只能根據(jù)他們的實(shí)驗(yàn)精度但是到目前為止，所有檢驗(yàn)光子靜止質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)都是零結(jié)果, 給出光子靜止質(zhì)量上限。真空中光速的色散效應(yīng)是人們檢驗(yàn)光子靜止質(zhì)量的一個(gè)常用方法, 除此之外，與光子靜止質(zhì)量有關(guān)的色散效應(yīng)還有等離子體的色散和星際磁流體力學(xué)波的色散 等，它們也曾被科學(xué)家們用來(lái)檢驗(yàn)光子靜止質(zhì)量上限。1星光到達(dá)地球的時(shí)間差測(cè)量不同頻率的光走過(guò)相同一段路程所用的時(shí)間之差心t的微元來(lái)確立光子的靜質(zhì)量卩0。方程(1.2-2.8)表明，也t與L成正比。路程L越長(zhǎng)，效應(yīng)就越大。因此，我們可以比如，利用雙星和測(cè)量遠(yuǎn)方星體在同一時(shí)刻發(fā)射的不同頻率的電磁幅射到達(dá)地球的時(shí)間差, 脈沖星就

3、可做這類觀測(cè)。需要強(qiáng)調(diào)的是，星光的色散效應(yīng)除了用光子靜質(zhì)量解釋外，還可以用電磁場(chǎng)的非線性效應(yīng)和等離子體色散效應(yīng)來(lái)解釋。在遠(yuǎn)第星體與地球之間的巨大星際空間里存在著極其稀薄的星際介質(zhì)(等離子體)，這些等離子體引起的色散與卩引起的色散完全類似。這是利用 星光色散確立光子靜質(zhì)量的主要障礙。下面我們先簡(jiǎn)略介紹一下電磁波在等離子體中的色散效應(yīng)。麥克斯韋電磁波在等離子體中的色散方程是通常，離子體中電子的數(shù)密度,(1.2-3.la)C >3 3tme Im是電子靜質(zhì)量，B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，a是k與B之間的交角。星際空間的磁場(chǎng) B很小,3 B可以略去。于是方程(1.2-3.2) 給出電磁波在等離子體中的色散效

4、應(yīng)是Vg = d 3 / d | k| = c (1 - 3 p2 / 3 2 )1/2 , (1.2-3.2)將方程(1.2-3.2) 與Proca重電磁場(chǎng)的真空色散方程(1.2-2.4)比較，可以看出，等離子體的特征頻率 3 P引起的電磁色散效應(yīng)與光子靜質(zhì)量卩引起的色散效應(yīng)是一樣的。這就是說(shuō)3 P的效果同卩C的效果完全一樣。因此，如若不能用另外的方法 獲得星際離子體的密度,這就使我們?cè)诶眯蔷蜔o(wú)法分辮星光的色散究竟是等離子體產(chǎn)生的還是光子靜質(zhì)量的效應(yīng)。光色散效應(yīng)確立光子靜質(zhì)量卩上受到了限制。根據(jù)銀河系旋臂磁場(chǎng)范圍對(duì)光子靜質(zhì)量上限 做的估計(jì)約為10-59克。2、雙星觀測(cè)德布羅意(deBrog

5、lie) 1940年提出了利用雙星來(lái)確立光子靜質(zhì)量的方法。雙星是在一個(gè)橢圓軌道中不停地旋轉(zhuǎn)的二顆星體（例如，將它們分別叫做Si星和S2星）.在某一時(shí)刻，S星把S2星擋住，使我們看不到S2星。隨后，S星從S星背后顯露出來(lái)，此刻測(cè)量 S2星發(fā)射的不同頻率的光波到達(dá)地球的時(shí)間之差。德布羅意使用的數(shù)據(jù)是:入220.5x10 -8厘米2；雙星到地球的距離 L = 103光年；這兩種顏色的光到達(dá)地球的時(shí)間差10-3秒。如果光子靜質(zhì)量的貢獻(xiàn)不能忽略的話，那么，由方程（1-2-2.8）便得到脈沖星的發(fā)現(xiàn)為檢驗(yàn)光的色散現(xiàn)象提供了一種新的手段。雖然脈沖星在同一個(gè)脈沖里發(fā)射的頻率相近的兩列光波色散很小，但是脈沖星到

6、地球的距離很遠(yuǎn)， 這兩列光波到達(dá)地球的時(shí)間差大得足以觀測(cè)到。脈沖星發(fā)射的無(wú)線電波的色散效應(yīng)通常是以等效平均電子密度給出的。對(duì)于脈沖星 NP0532 Staelin等人（1968）給出 斤< 2.8 X 10-2 厘米-3Fein bertg（1969）假定觀察到的NP O532脈沖星的色散效應(yīng)主要是光子靜質(zhì)量引起的。從方程(1.2-2.4) 和(1.2-3.2) 的比較可知， 3 p / e = 4 n e2nI嗎/me的等離子體的色散效應(yīng)與! =光子靜質(zhì)量引起的色散效應(yīng)相同，因此有：me I 11cm(1.2-3.4)封伯格（Fe in berg）認(rèn)為，這種方法是對(duì)薛定諤靜場(chǎng)方法的一種

7、補(bǔ)充。4、光子靜止質(zhì)量的最新測(cè)量結(jié)果最近由于物理實(shí)驗(yàn)的重大新突破，即由于單個(gè)光子質(zhì)量實(shí)驗(yàn)的精確測(cè)定結(jié)果和用原子的發(fā)射光譜對(duì)氫原子、氦離子、氦原子內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度和軌道半徑的精確測(cè)量結(jié)果的出現(xiàn)，迫切需要尋求一種新物理理論的新解釋。2003年3月的物理學(xué)評(píng)論快報(bào)發(fā)表了一篇文章，說(shuō)中國(guó)科學(xué)家、武漢華中科技大用精密扭秤檢驗(yàn)學(xué)教授羅俊及同事通過(guò)實(shí)驗(yàn)在宇宙磁勢(shì)造成的影響中尋找光子質(zhì)量的痕跡,出光子靜止質(zhì)量的上限為10-48千克。在2010年2月28日出版的美國(guó)物理學(xué)評(píng)論快報(bào)(P hysicalReviewLetters)上，有專文介紹說(shuō)："一項(xiàng)由中國(guó)科學(xué)家羅俊等完成的新的實(shí)驗(yàn)表明，在任何情況

8、下，光子的靜止質(zhì)量都不會(huì)超過(guò)10-54千克，這一結(jié)果是之前已知的光子質(zhì)量上限的1 /20?！绷_俊和他的同事通過(guò)一種新穎的實(shí)驗(yàn)方法，在一個(gè)山洞實(shí)驗(yàn)室里將光子靜止質(zhì)量的上限， 進(jìn)一步提高了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。它使我們?cè)俅握J(rèn)識(shí)到精確驗(yàn)證電力平 方反比律，即確定5下限的重要性。描寫(xiě)電磁相互作用的局域規(guī)范理論稱為阿貝爾規(guī)范場(chǎng)理 論。光波是不應(yīng)該有慣性質(zhì)量的。如果有，則會(huì)產(chǎn)生一系列的問(wèn)題。如：假設(shè)光波有慣性質(zhì)量。則光波通過(guò)介質(zhì)后其速度無(wú)疑會(huì)減少。但實(shí)際的情況恰恰相反。 光波通過(guò)介質(zhì)后速度不所以光波哪怕是具人們就試圖利用各但不減少，反而其速度有時(shí)會(huì)增加。 而這顯然與光波具有慣性質(zhì)量矛盾。有一點(diǎn)點(diǎn)慣性質(zhì)量，都將與

9、我們所觀察到的物理事實(shí)相違背。長(zhǎng)期以來(lái),種電磁學(xué)現(xiàn)象檢驗(yàn)麥克斯韋電磁理論的正確性,檢驗(yàn)光子靜質(zhì)量是否為零。這些實(shí)驗(yàn)也是對(duì)真空光速不變?cè)淼囊环N檢驗(yàn)。前幾年，華中科技大學(xué)的羅俊教授和他的研究生涂成良就做了測(cè)定光子靜止質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)。測(cè)定光子靜止質(zhì)量為 1.5 X 10 -55千克，論文“實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)光子靜止質(zhì)量的研究進(jìn)展”發(fā)表在2006年09期的物理雜志上.現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)用天體物理的磁壓法得出的RY的最強(qiáng)限制為RYV 10-60克，既不能否定也不能肯定光子有引力靜止質(zhì)量。在麥克斯韋電磁場(chǎng)的拉格朗日理論中，電磁場(chǎng)的拉格朗日密度是由場(chǎng)變量(勢(shì)函數(shù))Al的一階導(dǎo)數(shù)? Al /? xm構(gòu)成的雙線型的，在洛侖茲變換

10、下的不變量(標(biāo)量)和在相角變換(U(r)規(guī)范變換)下的不變量。用這樣的拉格朗日量，通過(guò)對(duì)場(chǎng)變量變分得到的方程就是麥克斯韋電磁場(chǎng)方程?，F(xiàn)在，我們放棄U(r)規(guī)范不變性這個(gè)條件， 因此通常的拉格朗日量中需要增加一項(xiàng)2AAv ,這是與質(zhì)量有關(guān)的項(xiàng)。由這樣修改過(guò)的拉格朗日量得到的方程就是中子靜質(zhì)量卩1 0的運(yùn)動(dòng)方程，即重電磁場(chǎng)方程或稱為Proca方程(使用高斯單位制)： g(v'Jm其中式十(1.3-3)，上面諸希臘指標(biāo)均取D 1 (1.3-1)(1.3-2)，它滿足恒等(T2, 3, 4。x X VP .是單位全反對(duì)稱張量，二蟲(chóng)一W曲仮J二儀一 ictl fK)二仃一iuD).2是矢勢(shì)，f是

11、標(biāo)勢(shì)，J是電流密度，r是電荷密度。方程中的電流四矢Jv是守恒流，滿足守恒方程d X.(1.3-4),對(duì)方程(1.3-1)做微分，利用定義,(1.3 -2)和方程(1.3-4)dA(1.3-5)，此式表明，電荷守恒條件(方程(1.3-2)與洛 侖茲條件(方程(1.3-5)互相等價(jià)。將方程(1.3-2)代入(1.3-1)，并利用方程(1.3-5)，可以得到電磁勢(shì) A“的波動(dòng)方程。(1.3-6)其中爾算子)。以上方程唯一地確定了電磁勢(shì)Av1 0E一 1Jf ft _3.寸- -L,。相應(yīng)于方程(1.3-1) - (1.3-6)(達(dá)朗貝的三維矢量形式是:(1.3-7a)(1.3-7b)討(1.2-9a

12、),1(1.2-10a)(1.2-11a),VxE今A8c 3t1 aSC at(1.3-8a)(1.2-9b)卩=0,時(shí)，Proca方程可簡(jiǎn)化為麥克斯韋方程。方程(1.3-1)出的，它是對(duì)麥克斯韋方程所做的V-H-0(1.2-10b)(1.2-11b)，顯然，當(dāng)是Proca在30年代初首先提(保持洛侖茲協(xié)變的)唯一推廣形式。方程(1.2-7)-(1.2-11)是用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)光子靜質(zhì)量的基礎(chǔ)。實(shí)際上根據(jù)近代量子電動(dòng)力學(xué)理論，并不存在尚未發(fā)出的靜止光子， 光子是在電子(或其他帶電的基本粒子)做躍遷運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生出來(lái)同時(shí)發(fā)射出去的.歷史上對(duì)彗尾的尾巴現(xiàn)象解釋首先是光壓說(shuō)，但是近代物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)光根本不具有如此威力，甚至光是否存在壓力都受到了人們的懷疑，軍事專家的觀點(diǎn)更支持我們,軍事學(xué)教程中言：“激光武器的特點(diǎn)：不產(chǎn)生后坐力，是一種無(wú)慣性武器?！苯鷮?shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)原子核向外發(fā)射出能量極高的 Y 光子時(shí)并不做反沖運(yùn)動(dòng)（近代理論認(rèn)為能量越大的光子其動(dòng)量 越大）。我們應(yīng)該懷疑麥克斯韋所預(yù)言的光壓了。經(jīng)典物理后來(lái)又轉(zhuǎn)用太陽(yáng)風(fēng)來(lái)解釋彗尾， 但