光真的没有质量吗?还是说它没有质量是因为它无法测量?

时间:2022-01-08 12:02:11   作者:
迄今为止,我们最好的理论(粒子物理标准模型中的量子场理论)预测光子是无质量的。

希格斯玻色子机制不能给光子质量,除非经过严重的修改。该理论的电弱部分涉及到两个对称群SU(2)和U(1)的组合。在不详细讨论的情况下,希格斯机制打破了SU(2)的非阿贝尔对称,这给弱相互作用的W和z玻色子提供了质量;但它使阿贝尔对称群U(1)保持不变,光子保持无质量。

当然理论是一回事,实验是另一回事。为了确定光子质量的极限,曾有过无数次的尝试。如果光子有静止质量,它的传播速度将取决于它的能量。伽马射线的传播速度会比无线电波快。此外,如果光子有静止质量,引力透镜使光子偏转的量也取决于光子的能量。这两种效应都没有被发现过,相应的精确观测对光子质量提出了极其严格的上限。

现在,如果事实证明光子的质量毕竟很小,那么这个理论就需要修正了。经典理论(相对)容易:麦克斯韦的理论将被麦克斯韦-普罗卡理论所取代。量子理论比较棘手,因为麦克斯韦理论的量子版本很容易重整(这是量子电动力学,QED),而麦克斯韦-普罗卡却不是。一种方法是对称破缺,所以也许有一种方法可以将希格斯玻色子机制扩展到U(1)扇区。或者,也许其他一些解决方案可以完全消除重新正常化的需要。

但就目前而言,由于缺乏令人信服的理论理由来保持光子无质量,且没有任何相反的实验或观测证据,我认为我们对标准模型和它的无质量U(1)扇区相当满意。
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