光子“稱重”天文實(shí)驗(yàn)

光子，是可見(jiàn)光和其它電磁波的載體。高中物理課本告訴我們，光子無(wú)質(zhì)量，物理學(xué)上更嚴(yán)謹(jǐn)定義是“光子在靜止?fàn)顟B(tài)下質(zhì)量為零”。因?yàn)楣庾訜o(wú)法靜止下來(lái)，它始終在運(yùn)動(dòng)，在真空中的運(yùn)動(dòng)速度恒為299792458米/秒。

盡管人們已經(jīng)普遍接受“光子無(wú)靜止質(zhì)量”這一概念，但這并沒(méi)有澆滅科學(xué)家們想盡辦法給光子“稱重”檢驗(yàn)光子靜止質(zhì)量是否為零的高漲熱情。傳播中的不同波長(zhǎng)光子示意圖 | 圖源：NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet

為什么要給光子“稱重”？

英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)立的電磁場(chǎng)理論是物理學(xué)史上最偉大的成就之一。在麥克斯韋方程組中，任何頻率或波長(zhǎng)的電磁波在真空中的傳播速度恒為常數(shù)c。

同樣，光速不變?cè)硪彩菒?ài)因斯坦狹義相對(duì)論的基本假設(shè)之一。狹義相對(duì)論給出了一個(gè)靜止質(zhì)量為Μ的粒子的速度υ與能量E的關(guān)系：

可以看出，具有一定靜止質(zhì)量的粒子的速度完全取決于它的能量。能量越大速度也就越快，但是永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到光速c，因?yàn)檫@需要無(wú)窮大的能量。而對(duì)于無(wú)靜止質(zhì)量的粒子來(lái)說(shuō)，不管它的能量大小如何，其速度永遠(yuǎn)是光速。因此，光速不變的假設(shè)意味著光子的靜止質(zhì)量必須要嚴(yán)格等于零，否則光子的速度永遠(yuǎn)達(dá)不到光速c。盡管“光子無(wú)靜止質(zhì)量”的概念早已深入人心，物理學(xué)家卻并未停止對(duì)光子靜止質(zhì)量進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)精度也越來(lái)越高。這其實(shí)也是對(duì)光速不變?cè)碚_性的一種有效檢驗(yàn)。即使光子僅有非常微小的靜止質(zhì)量，若一旦被證實(shí)，將會(huì)對(duì)整個(gè)物理學(xué)的基礎(chǔ)理論產(chǎn)生重大而又深刻的影響。這也就是為什么科學(xué)家們非要絞盡腦汁地去嘗試各種辦法給光子靜止質(zhì)量“稱上一稱”的原因。 光子“稱重” | 圖源：紫金山天文臺(tái)

由于光子是運(yùn)動(dòng)的，你不可能“捕獲”一個(gè)光子放到天平上讓它靜止下來(lái)，從而“稱”出它的質(zhì)量。那科學(xué)家們是怎么給光子“稱重”的呢？非零光子靜止質(zhì)量的后果如果光子具有非零的靜止質(zhì)量，哪怕是微小到難以察覺(jué)的一丁點(diǎn)兒，麥克斯韋方程組就需要改寫(xiě)，新增與光子靜止質(zhì)量有關(guān)的項(xiàng)，靜電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁輻射的一些重要性質(zhì)會(huì)隨之改變，從而產(chǎn)生一些可能被觀測(cè)到的物理效應(yīng)，主要包括：

不同頻率的電磁波在真空中的傳播速度不同，即真空中光速的頻率色散效應(yīng)；

靜態(tài)電磁場(chǎng)的庫(kù)侖反平方定律和安培環(huán)路定律的偏離；

縱向電磁波的出現(xiàn)，即出現(xiàn)沿著光的傳播方向的極化；

黑體輻射公式將需要修改。

通過(guò)尋找這些物理效應(yīng)，科學(xué)家們對(duì)光子靜止質(zhì)量進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，不斷刷新光子靜止質(zhì)量的最低上限。目前最低的光子靜止質(zhì)量上限為3×10-60克，是Chibisov于1976年通過(guò)分析星系中磁化氣體的穩(wěn)定性得到的。但該實(shí)驗(yàn)涉及很多的不確定模型假設(shè)，因此這個(gè)限制結(jié)果一直沒(méi)有得到公認(rèn)。華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心團(tuán)隊(duì)是我國(guó)在此領(lǐng)域的記錄保持者，他們?cè)?006年通過(guò)精密扭稱調(diào)制實(shí)驗(yàn)給出光子靜止質(zhì)量上限為1.5×10-52克。給光子“稱重”的天文實(shí)驗(yàn)光子靜止質(zhì)量不為零的最直接后果是真空中光速的色散效應(yīng)，即光子在真空中的傳播速度υ不再是常數(shù)c，而是跟光子的頻率ν有關(guān)。

該色散關(guān)系可以近似表示為

不同頻率（低頻νl和高頻νh）的光子傳播相同的距離d所用的時(shí)間是不同，時(shí)間差可表示為

因此，限制光子靜止質(zhì)量的最直接且不依賴任何模型的方法就是測(cè)量這個(gè)時(shí)間差。為提高精度，我們應(yīng)該盡可能選擇那些飛行時(shí)間差很小、傳播距離很遠(yuǎn)、頻率很低的電磁波信號(hào)來(lái)限制。

天體發(fā)出的不同頻率光子到達(dá)地球觀測(cè)者的時(shí)間差容易探測(cè)，而且天體到地球的距離也足夠大，所得到的對(duì)光速色散效應(yīng)的限制精度也就更高。因此，發(fā)生在遙遠(yuǎn)距離的短時(shí)標(biāo)射電爆發(fā)天體可以為我們提供檢驗(yàn)光子靜止質(zhì)量的最佳實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。當(dāng)然，前提是天體在不同頻率上的輻射必須是同時(shí)發(fā)出的。 非零光子靜止質(zhì)量導(dǎo)致天體光速（頻率）色散效應(yīng)示意圖 | 圖源：紫金山天文臺(tái)2016年，紫金山天文臺(tái)高能時(shí)域天文團(tuán)組及其合作者首次利用宇宙學(xué)起源的快速射電暴開(kāi)展高精度光子“稱重”天文實(shí)驗(yàn)。通過(guò)分析快速射電暴（如FRB 150418）不到1秒的射電色散延遲，給出光子靜止質(zhì)量的上限5.2×10-47克。這一結(jié)果比之前國(guó)際上使用相同實(shí)驗(yàn)方法的最好結(jié)果至少提高了約3個(gè)數(shù)量級(jí)。最近，他們又進(jìn)一步將此上限限制到7.1×10-48克，相當(dāng)于電子質(zhì)量的1020分之一！未來(lái)隨著快速射電暴這類天體的精確定位技術(shù)的迅速發(fā)展，光子靜止質(zhì)量的限制精度有望得到進(jìn)一步的提高。 地面射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到快速射電暴效果圖 | 圖源：網(wǎng)絡(luò)寫(xiě)在最后目前所有的實(shí)驗(yàn)都只是給出越來(lái)越低的光子靜止質(zhì)量上限，那科學(xué)家們最終能夠測(cè)得光子靜止質(zhì)量就是等于零嗎？答案可能會(huì)讓你失望。根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，光子靜止質(zhì)量可探測(cè)終極上限為

其中?是普朗克常數(shù)，Δt取全宇宙最大時(shí)間（宇宙年齡）約138億年。因此，幾乎可以肯定地說(shuō)，人類的任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)都不可能得到光子靜止質(zhì)量嚴(yán)格等于零的結(jié)論，人類對(duì)光子靜止質(zhì)量的探測(cè)極限只能達(dá)到10-66克。

如果光子確實(shí)存在有限的靜止質(zhì)量，且質(zhì)量大于可探測(cè)極限，或許人類下一個(gè)更高精度的實(shí)驗(yàn)就有可能給出一個(gè)確定的、非零的光子靜止質(zhì)量數(shù)值，而不再僅僅是上限！致謝非常感謝吳雪峰研究員對(duì)本文的諸多有益修改建議。

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作者簡(jiǎn)介

魏俊杰，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)“高能時(shí)域天文團(tuán)組”副研究員，中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員。主要研究方向：高能天體物理、宇宙學(xué)、基本物理的天文學(xué)檢驗(yàn)。

主編：毛瑞青
輪值主編：朱聽(tīng)雷

編輯：王科超

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