作为大学物理学教授,我试着来回答你这个问题,希望普通的读者也能明白。
光子,光的能量量子,是最初普朗克为了解释黑体辐射时提出来的概念(假说)。它与后来的康普顿散射实验、爱因斯坦光电效应方程等,共同证明了光也是粒子,这样完善了人们对光的本性的认识:光是波和粒子统一体,光具有波粒二象性(光的波动性为以杨氏双缝干涉实验为开始的一系列干涉、衍射实验所证实)。
好,铺垫结束后回到问题本身,光子是否具有质量呢?
质量,是所有粒子的一个重要特性指标,光子当然也不例外。也就是说光子具有质量。那么光子的质量是多少呢?
依据爱因斯坦相对论理论,光在真空中的速度为c,是完全相对论的,其质量与能量满足质能关系,即E =mc^2。而我们知道,光子的能量满足E=h[niu](希腊字母),这里h为普朗克常数,[niu]为光的频率。因此,光子的质量为m=h[niu]/c^2。可见,不同频率的光子,具有不同的质量。
需要指出的是,上述光子的质量,是相对论质量,也就是光子以光速运动时的质量,称为动质量。而光子没有禁止质量,即光子的静止质量为零。
首先必须阐明一个事实,我们身处的宇宙乃至宇宙外面,本质上都是能量,该能量中的一部分生成了我们现在的宇宙!这也能解释为什么在伟大的爱因斯坦诞生后,能利用基于光速不变原理的质速公式,推导出著名的质能公式E=mc^2,由该公式可知,任何物质的质量和能量存在该转化关系,用爱因斯坦的话来说,就是:“质量就是能量,能量就是质量。”这说明在我们身处的宇宙之外,不排除已有部分能量至少生成一个宇宙的可能性,且宇宙有边界。该事实也能解释为什么宇宙的质量在不断减小,因为宇宙在高速运转,需要不断消耗能量,因而,只能通过不断亏损质量去补充。还能解释为什么我们的宇宙在不断膨胀,暗能量在不断增加,因为从宇宙外的能量场扩散进来了大量暗能量,使宇宙体积不断增大。
爱因斯坦和他的著名的质能公式
由上可知,对于宇宙中的每个光子(构成光的基本微粒),都是由其光源处的能量生成的具有一定运动质量的微粒!这也能解释为什么光子没有静止质量,即不存在静止的光子,因为产生光子的能量静止时,还在光源里,尚未形成光子,且光子诞生后,不存在与它相对静止的参照系,否则,就不存在光子了。何况光子作为一种传递电磁相互作用的规范玻色子,也是一种基本粒子,不可再分,其质量也不会发生变化,否则,就会重新变成一小股能量而湮灭。即:每个光子的能量都是固定值,也可称之为能量子或光量子。这也能解释德国物理学家普朗克在1900年提出的能量子假说,以及爱因斯坦在1905年提出的光量子假说。
为了让理由更加充分,我们再来分析爱因斯坦基于光速不变原理推导出的质速公式m=m0/√(1-ⅴ^2/c^2),其中,m0表示物体(也包括有静质量的微粒,如电子、中微子)的静止质量,而静止质量是指对于此类物体,选取一个与它相对静止的参照系后,测出来的质量;m是指该物体的运动质量,指该物体相对于这个参照系运动后,测出来的质量。因此,根据该公式,我们不妨假设光子有静止质量,即m0>0,代入该公式后,得出其运动质量m=m0/√(1-c^2/c^2)=m0/0=+∞,即动质量为无穷大量,成了一个变量了!这既与“质量大小是一个数”的数学本质矛盾,也与光子的运动质量非常小,使我们感觉不到光压的物理本质矛盾!可见,光子的静止质量只能为0!
除此之外,光子也不带电,否则,就会因为光子间基于同种电荷相互排斥,只能形成一堆分散的光子,而无法形成光线,或因异种电荷相互吸引而相互粘合,甚至发生碰撞而湮灭,也无法形成光线。
综上所论,光子仅有运动质量,其质量大小如同我们常见的基于分子、原子、或离子间的作用力而构成的较稳定的宏观物体一样,不会发生变化。且不可再分,也不带电。
宇宙之光
(声明:文中图片来自网络,版权归原作者及原出处所有。如涉侵权或原版权所有者不同意转载,请及时联系我,以便立即删除。但内容系个人原创,可读性强,欢迎广大读者朋友品阅,不吝赐教。如需转载,请注明出处!)
谢邀。这个问题被提出n次了。大家一直在追问光子究竟有无质量。有的人总拿质能方程的“静质量与动质量”来做牵强附会的解释。
请问,光子是静止的么?什么物质是静止的呢?显然,任何物质都是运动的,静质量又从何而来?什么逻辑?纯属胡扯!
就算有动质量,那么请问,光子的动质量是多少?有人说按m=hν/c²计算,而频率ν可以有无数个,即光子质量有无数个。
质量是物质固有的参数,反而成了七十二变的孙猴子了,有一丁点意义么?
虽然,自从爱因斯坦用公式Ek=hΔν成功解释了光电效应,就有了作为能量子的光子概念,一个合乎逻辑的纯理论术语。
但是,光子的本质究竟是什么,是不是一种有质量、有能量、有体积的基本粒子,光子的生产机制是什么,爱因斯坦本人并不清楚。
提出光子学说,爱因斯坦已经足够伟大了。后续的事,是后来者的事。
有太多的案例,尤其是正负电子湮灭反应与卡西米尔效应,说明光子不是纯粹的能量子,而是被激发的真空介质的场量子集团。
所有基本粒子,都是有质量、有能量、有体积的,都是以光速自旋的漩涡体,光子也不例外。
只要那个湮灭方程,就足以证明,光子质量是恒定的电子质量,这叫“光电同质法则”。
看上图的正负电子的湮灭方程,两个电子碰撞,变成两个光子。
左右两边总能量都是:ΣE=2×0.511MeV/c²,符合能量守恒定律。
左右两边总质量都是:Σm=2×0.911e-30kg,符合质量守恒定律。
在高温高压下,两光子可变成两电子。同样服从能量守恒与质量守恒。
受质能方程影响,有人竟然说,能量是不守恒的,质量也是不守恒的。
根据光电同质法则,可以计算湮灭反应的光子半径、体积、密度。
已知,湮灭反应的光子波长,等于电子的康普顿波长:λ=2.42e-12m,频率ν=1.26e26Hz。这也是光子的最高频率。
光子的最小半径:r=λ/2π=3.9e-13m。
光子的最小体积:V=4.2r³=2.5e-37m³。
光子的最大密度:ρ=m/V=3.6e6kg/m³。
这也说明,伽玛光子具有强大穿透力。
物理新视野,旨在建设性新思维,共同切磋物理/逻辑/双语的疑难问题。
根据爱因斯坦质能方程证明质量和能量是一种东西,光子并不存在,它只是能量的存在方式,质量是能量的静止态。所以不存在静止的光子。平时所说的光子没有质量是指光子没有静止质量,因为静止的光子是不存在的。光子具有运动质量即动能。
首先真空不空,而是由基态能组成的连续体。能量是空间的激发态,物质粒子或叫量子是能量的聚集态。空间,能量,物质是一种东西的不同形态。他们之间可通过能量的形式相互转化。光是一种能量。其次,光的传播没有光子被射出去,只是能量激发物质周围的空间使其处于激发态,并切其后连续定向激发形成的传播效应。光速是由连续激发过程中空间变能量,能量变空间过程中转换速度即空间性质决定的,故光速是不变的。