如果光子質量不為0,後果有多嚴重?


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如果光子質量不為0,後果有多嚴重?

光速不變原理

愛因斯坦被認為是20世紀最偉大的科學家,他幾乎是以自己一人之力完成了相對論。不過,起初,愛因斯坦的這個理論並不叫作相對論。就拿狹義相對論來說,是​​愛因斯坦在1905年發表的,文章的名字翻譯過來就是《論運動物體的電動力學》,後來他又補了一篇論文叫做《物體的慣性同它所含的能量有關嗎? 》,這兩篇論文共同構成了狹義相對論。

後來,有一位愛因斯坦的前輩科學家叫做洛倫茲,他為了區別自己和愛因斯坦的理論,就把愛因斯坦的理論稱為為相對論。

沒想到,這個叫法一下子就火了,一直沿用到現在。對於愛因斯坦來說,他其實並不認同這個叫法,他更贊同的是“協變論”。

實際上,相對論當中是存在著純粹的“絕對”,這個“絕對”就是光速,在任何慣性參考下光速都是一樣的。愛因斯坦正是以“光速不變原理”和“相對性原理”構建出了狹義相對論的框架。那麼問題來了,光速為什麼是不變的呢?

粒子物理標準模型

這個問題確實難倒了當時的物理學家,直到量子力學逐漸發展起來,並且科學家把狹義相對論與量子力學結合起來,發展出了量子場論,以量子場論為基礎,構建出了一套“粒子物理標準模型”。

那這個“粒子物理標準模型”和“光速”到底有什麼關係呢?

一直以來,物理學家都在嘗試用一套理論來描述所有的物理學現象。 “粒子物理標準模型”就曾肩負著這樣的使命,科學家是嘗試從微觀粒子入手,把微觀粒子分成了兩大類:費米子和玻色子。

費米子遵守“泡利不相容原理”,它們不能佔據相同的量子態,只能“一個蘿蔔一個坑”,它們的存在,使得物質具有了“體積”的屬性,說白了就是如果把物質切分到最碎的“肉”,其實就是這些費米子。

當然,如果只有費米子,沒有玻色子,那麼物質就無法成形,就是一盤“散沙”。玻色子起到的作用就是“傳遞相互作用”,讓費米子可以結合起來構成物質,說白了就是粘合劑。舉個例子,夸克(費米子)通過膠子(玻色子)傳遞強相互作用結合成了質子或者中子,而質子(費米子)和中子(費米子)通過介子(玻色子)傳遞核力結合成了原子核,而原子核和電子(費米子)通過光子(玻色子)傳遞電磁相互作用結合成原子。

而物質的質量99%來自於出傳遞強相互作用的能量等價於質量,剩餘1%來自於粒子本身。

粒子的質量是由希格斯玻色子所賦予,通過希格斯場給粒子減速來使得粒子獲得質量。而粒子原本最初的速度其實都是光速。也就是說,粒子傳遞速度無法突破光速這是由於希格斯玻色子所導致的。按照粒子物理標準模型的理論,只有“靜止質量為0”的粒子才能擁有光速,也就是不會被希格斯場所減速。

按照理論,光子和膠子都是靜止質量為0的粒子,因此,理論上他們都是具有光速的。

不過,科學家並不沒有因為理論的預言就放棄了對“光子”質量的探索。許多科學家都做了測量光子質量的實驗,當然結果是很難能夠測準,只能勉強給出了一個質量上限。那如果有朝一日,光子靜止質量不為0,那會出現什麼問題呢?

現代物理學的崩塌

如果科學家真的測出了“光子靜止質量不為0”,那這個實驗結果必然會使得整個物理學界為之震動,並且領導實驗的科學家也必然會被授予諾貝爾物理學獎。這是因為“光子靜止質量不為0”意味著整個粒子物理標準模型都是錯誤的,那麼近幾十年物理學家的努力就將付之東流。

但結果要遠比想像中還要糟糕,因為接下來有問題的就會是相對論。因為這個結果也會撼動相對論的基本假設“光速不變原理”,那麼相對論也將會被證偽。換句話說,不僅僅是近幾十年的物理學家都白乾了,可以說是整個20世紀的物理學要垮掉一半。

不僅如此,“光速”問題同時也會造成“量子力學”和“麥克斯韋方程”出現問題,甚至根本無法解決這個問題,這會直接讓人類的物理學倒退回到牛頓時代。

因此,如果光子具有質量,那麼整個物理學將會亂套,人類將回到物理學的原點。