在近代物理文献中， 光子经常作为无质量粒子被说起 。 然而， 光子同有质量粒子行为上有素质上的分歧， 从有质量粒子的物理学简单地令m=0 不成能获得任何光子物理 。 光 (子) 的能量-动量色散关系， 速度之参照框架 (非) 依靠 (性) ， 自旋与自旋投影等根基物理性质都完全分歧于有质量粒子 。 光子与有质量粒子的玻色-爱因斯坦统计上的不同也不是粒子质量有无的问题 。 光子概念来自基于尝试成果提出的光场之能量量子， 光场量子化同有质量粒子能量的量子化采用了完全分歧的方案 。 光场量子化是对分歧光场模式直接引入发生和湮灭算符， 分歧模式的光场之间没有感化， 谈论光子的位置没有意义， 则光子的计数性—其与定域性有关—也就当作了问题 。 严酷考查关于光(子)性质的描述及其背后的物理图像， 可作为进一步深切理解光 (子) 之赋性的起头 。
撰文 | 汪克林（中国科学手艺大学根本物理中间理论物理传授、近代物理系传授(退休))、曹则贤（中国科学院物理研究所研究员）
1、引 子
【光子真是简单的无质量粒子吗？】光子这个概念源于1900年普朗克拟合黑体辐射谱引入的假设Uν(ν为下标)/hν为整数， 后来1905年爱因斯坦在诠释光电效应的尝试成果时进一步假设固体接收光也是按照以能量量子 E=hν为单元的体例进行的， 1923年康普顿为诠释X-射线的电子散射尝试又引入了光具有动量量子 p=hν/c的假设， 这最终导致了化学家刘易斯 (Gilbert N. Lewis) 于1926年引入了光子 (photon) 一词[1] 。 光子的概念沿用至今， 而且在此过程中天然地形当作了所谓光子是无质量粒子的说法， 很多人对此也深信不疑 。 然而， 我们稍加留心， 就会发现这种说法大有值得商榷之处 。 光子在引入之初， 是别离被付与能量量子 E=hν 和动量量子 p=hν/c 的 。 如斯付与动量量子的来由来自光能量量子的表达式 E=hν 以及经典理论中光场的动量的概念 p=E/c ， 也就是光场的能量-动量关系 (色散关系) E=pc 。 这个能量-动量关系被光子直接担当了 。 在狭义相对论中， 洛伦兹不变性要求有质量粒子的能量-动量关系为
E^2=p^2c^2+m^2c^4 (1)
若令 m=0 ， 则从式(1)可获得 E=pc， 这大要是所谓光子是无质量粒子说法的启事 。 然而， 必需指出， 所谓光子的动量 p=hν/c， 在康普顿用来解决X-射线电子散射问题时就是经典动量， 而在粒子的能量-动量关系式(1)中的p现实上是粒子动量4-矢量P=(p; E/c) 的前三个分量， 它和粒子的经典动量 p=mν 差一个因子
文章插图
， 不成混为一谈！最主要的， 在当今关于粒子的尺度模子里， 光子是来自局域U(1)规范对称性的、自旋为1的规范玻色子， 它没有质量或者电荷 (without mass and without charge) 。 注重， 它不是质量为零、电荷为零， 是没有质量、也没有电荷这些标签 。 光子有自旋标签 。
作者基于近年来关于根本物理的思虑， 认为有需要当真检讨一下我们关于光子的一些熟悉是否反映了真实的物理内容， 近代物理是否能为光子供给加倍切确和严谨的图像 。 量子力学和相对论在成长期间其本家儿角一向是电子和光 (子) ， 然而， 对量子力学和相对论的细心体味会指导我们去思虑电子与光子素质上的区别 。 好比， 光子， 切当地说是光场的量子， 其与有质量的物质粒子之间的不同仅仅是有限质量和质量为零的不同吗？光子和电子一样有位置算符吗？再者， 一般相对论文献中漫谈到光速不变， 意思是光速在任何参照框架中都是一样的 。 我们也可以问一个同光子是否简单地是无质量粒子近似的问题， 光速是在分歧参照框架内不变仍是光速是一个没有参照框架 (referring to nothing) 的物理量[2]？这之间的分歧会导致对根本物理的分歧熟悉 。 就后续的量子光学尝试来说， 光子的可计数性以及尝试上的具体实现也不曾成立起坚实的概念根本 。 这些都是本文要会商的内容 。
推荐阅读
- 哈士奇怎么画简单又好看 哈士奇怎么画才好看
- 会简单会议平板的无线同屏操作
- 如何用手机简单的听歌识曲
- 怎样才算真正的聪明人？
- 简单闯关图7.5正式版攻略 通关玩法开局怎么玩
- 多妈简笔画简单的兰花的画法
- WPS表格简单公式运算
- PS设计简单包装盒
- 简简单单得知自己电脑的内存条插槽有几个
- 人工种植茶的第一人