光子的静止引力质量问题.doc

四、光子的静止引力质量问题 康德的认识论指出：人不能认知不合乎自己思维模式的知识。这也就是Einstein所说的“现象与理论之间没有逻辑桥梁”。 场开始是作为表述粒子间传递作用力的方式而提出的。为了帮助人们形象地理解电力和磁力现象，在一百多年前，法拉第和麦克斯韦想象出场的概念。此后物理学家们一直认为那些力线本质上是虚构的，只是为帮助人们更好地理解自然定律的一种手段。但时至今日,越来越多的物理学家相信,这些场可能是客观存在的,并具有重大的物理意义。根据相对论首先提出：围绕在物体或粒子周围空间的各式各样的场应被认为是一种实在的东西。静止电荷周围的空间存在着一种特殊的物质称为电场。在高压输电线附近存在着环绕电线的磁力线和强大的电场，这样的环形磁力线和电场顺着输电线由发电站延伸到变压器。静电荷周围空间存在的静电场被认为是由不能被探测到但却围绕在电荷周围空间的虚光子构成的,电荷间的相互作用力是因为电荷间相互交换虚光子造成的。W??G?V罗瑟在他著的《相对论导论》第236页写道：Einstein“有时说，光子静止质量为零。由于光子以光速行进，不可能找到光子的静止惯性系，所以静止质量一词严格说来是不适用于光子的。” Einstein在他的《相对论的意义》的著作里的哲学概括：“我们的物理世界是由实体和场构成的。也就是说，光是场，不是实体。” 在一份纪念兰姆90岁诞辰兼讨论光的本质的专集上，量子光学专家Zajonc说：我们对光量子的无知与Einstein当年的情况差不多。mγ≠0，那么：1.电动力学的规范不变性被破坏，使电动力学的一些基本性质失去了依据；2.电荷将不守恒；3.光子的偏振态有2变为3；4.黑体辐射公式要修改；5.会出现真空色散，即不同频率的光波在真空中的传播速度不同，真空光速不变性原理遭到了质疑；6.电磁力将不会是长程力，平方反比律应有偏差， 即f∝r -（2±δ），δ≠0…… 长期以来，人们就试图利用各种电磁学现象检验麦克斯韦电磁理论的正确性，检验光子静质量是否为零。这些实验也是对真空光速不变原理的一种检验。迄今对光子静质量所进行的各种检验都是以重电磁理论(Proca方程)为基础的。假设洛仑兹不变性成立，放弃相角规范(U(r)规范)不变性，从而对麦克斯韦方程进行修改，再附加上与光子静质量有关的项，就得到所谓的Proca方程。在这种情况下，洛仑兹变换中的常数c已不再代表通常意义下的光速，而只是一个具有速度量纲的普适常数。历史上，德布罗意曾提出光子具有静止质量的设想，薛定谔在试图统一电磁与引力时也曾对有限光子质量感兴趣。应当指出，光子具有静止质量将导致一个严重的后果，那就是目前最成功的量子电动力学将是不可重正化的，从而将变得无效。 如果mγ≠0，则电磁力为非长程力，Coulomb,s law应有偏差，即f∝r-2±δ，δ≠0；反之，如果mγ=0，则δ=0。因此mγ与Coulomb,s law偏离平方的修正数有关。1930年，Proca指出，如果mγ≠0，则真空中的Maxwell方程组应修改为 ▽.E=4πρ—（mγc/h)2φ ▽.B=0 ▽×E= —c-1（σB/σt） ▽×B= c-1（σE/σt） +4π/cJ—（mγc/h）2A 式中A和φ分别是电磁场的矢势和标势，c是真空中的光速, h是普朗克常量。②式称为Proca方程，采用的是高斯单位制。Proca方程的解的形式为φ~r-1 e-ur ③ 式中的μ为 μ=mrc/h ④ 当mr≠0时， μ≠0，可见Proca方程的解比通常的Maxwell方程的解多了一个指数因子e-ur。当mr=0时， μ=0，Proca方程回复到Maxwell方程。有E∝—▽φ、E∝γ—2—δ及③④式，可以找出δ与μ的关系，即找出δ与mr的关系。再利用1971年William等人的实验结果δ＜3×10—16，可得出mr＜2×10—47g。这就是利用δ的下限得出mr下限的方法。2003年3月的《物理学评论快报》发表了一篇文章，说中国科学家、武汉华中科技大学教授罗俊及同事通过实验在宇宙磁势造成的影响中寻找光子质量的痕迹，用精密扭秤检验出光子静止质量的上限为10-48千克。在麦克斯韦电磁场的拉格朗日理论中，电磁场的拉格朗日密度是由场变量(势函数)Al 的一阶导数? Al /? xm 构成的双线型的，在洛仑兹变换下的不变 量(标量)和在相角变换(U(r)规范变换)下的不变量。用这样的拉格朗日量，通过对场变量变分得到的方程就是麦克斯韦电磁场方程。现在，我们放弃U(r)规范不变性这个条件，因此通常的拉格朗日量中需要增加一项μ2ArAν ，这是与质量有关的项。由这样修改过的拉格朗日量得到的方程就是中子静质量μ1 0 的运动方程，即重电磁场方程或称为Proca方程(使用高斯单位制)： (1.3-1) 其