光子

秀水拖蓝 2011-09-30

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光子一般被认为是无质量粒子，光子的速度是光速，这个世界能够达到的最大速度。除此之外，我们还知道光子几乎没有自相互作用。

即使假定爱因斯坦狭义相对论是正确的，光子也不一定是无质量的-因为我们只假定有一个最大速度，光子的速度不一定就是那个最大速度。我们知道，实验永远不会精确测定一个物理量，我们只能给出光子质量的上限，这个上限是 $6times 10^{-17}$ ev，一个非常小的值（对比微波光子的能量 $10^{-4}$ ev），所以，对于我们通常打交道的光，光子质量完全可以看成0。通过研究星系磁场，这个上限可以压缩到 $3times 10^{-27}$ ev。

光子质量只会有“低能”效应。光子还可能在高能端偏离狭义相对论，这个偏离最好用色散关系表达出来。如果光子是无质量的，并完全满足Maxwell理论，那么色散关系是 E=k 。有些人怀疑量子引力效应使得光子在高能段破坏狭义相对论，通常叫Lorentz violation，特别是Amelino-Camelia等人，他们在Nature上从1998年起已经发表了若干文章，但我对他们的理论起源的研究有怀疑，他们要么是认为有某种deformed Lorentz对称性，要么认为D particle会对光产生效应。

尽管如此，我觉得他们建议用宇宙尺度上的光源来测量Lorentz violation还是很有意思的。为什么需要在宇宙尺度上才能测量？原因很简单。例如，考虑以下这个简单的偏离Lorentz色散关系

$E=k-{1over 2}{k^2over M}$

光子的速度无非是群速度，所以有

v(k)={dEover dk}=1-{kover M}

其中M是某个质量标度（例如Planck质量，假如第二项来自于量子引力效应）。对于一个具有能量高达10Gev的光子，光子的速度对1的偏离为 $10^{-17}$ ，如果光源距离我们有 $10^{28}$ cm，光子延迟达到的时间可达数秒。

如果我们能确定延迟到达时间的上限，我们就可以推出质量M的下限。当然，在实际计算过程中，我们需要考虑到宇宙演化效应，因为我们今天看到遥远的光来自于宇宙早期，既有红移效应，也有距离的演化效应。Lorentz破坏的形式不一定是上面的线性形式，最一般的可能是

$v(k)={dEover dk}=1-{k^nover M^n}$

对应于这个形式，延迟到达时间是

$delta t={n+1over 2H_0}{delta E^nover M^n}int_0^z{(1+z')^noversqrt{Omega_m (1+z')^3+Omega_Lambda}}dz'$

最近，美国Fermi GLAST空间天文台的两个合作小组（分别对应于一个探测器）在Science上发表了一篇文章，分析了去年九月份观测到的gamma暴GRB 080916C获得的数据。他们肯定了光子能量大约为13Gev的延迟时间约为16秒（或小于这个数值，假如有其他原因），得到了M的上限。如果 n=1，M的下限为 $10^{18}$ Gev，如果n=2，这个下限下降到 10^9 Gev。

Science可获得的支持材料(PDF文件)

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《W理论——关于本体（真空）的数学物理方法》一书是王天奇先生关于物理学基础的理论著作，已于2009年10月由中国文化出版社出版。
将自己的理论大厦建立在作为现象产生和存在基础的本体（物理学上的真空）之上，并给出了本体（真空）的数学物理方法是W理论的特色。W理论有两个基本发现：一是六维空间的发现；二是一个玄妙自洽的数理系统的发现，这两个发现的结合便产生了W理论。在W理论中，空间、场、粒子构成了三位一体的物理实在，但三者各自又都不具有独立存在的意义。W理论在数学上是一个美妙的、全新的几何学；在物理学上是独立于现代物理学框架之外的原创性物理理论。在W理论中，量子理论与相对论完美地融为一体；四种力（强力、引力、弱力、电磁力）基于同一个数理系统而自然地统一为一体。对于诸多物理学前沿难题，W理论都给出了合理的解答。特别是破解了磁现象的困惑，解答了磁子（磁单极）不可观测的原因，并给出了磁子的理论值。有趣的是，W理论所发现的六维空间又分为平权对称的此六维空间和彼六维空间，二者公用三个维向，另外三个维向之间呈镜像对称。现代物理学所发现的正物质和反物质便分别存在于此六维空间和彼六维空间，彼此两个六维空间之间具有相互不可观测性，这就是说正、反两个物质世界虽相互交融但彼此之间相互不可观测。
王天奇先生是陕西省三原县党校教师，物理专业毕业，长期潜心物理学基础研究。当问及不具备任何实验条件如何进行研究时，王先生说：“作为现象存在基础的本体（真空）是实验永远无法进入的，欲以人类有限的实验能力来认识具有无限属性的本体是不可能的。在这个领域只能凭借直觉和想象，依靠逻辑和美感的引领。这个领域的探索从来都是个体行为，若以实验条件或‘民科’的观念来看待这个领域的研究，是对这个领域的特殊性缺乏认识的表现。”王先生还说，“W理论的重要性不在于能给出一些物理量的具体计算值，而是给出了完全不同于现代物理的对宇宙的新的认知方式。
附：1. 诸力场场强理论值
宏、微力场对度比  力场名称   宏、微力场强
1           强力（W）  8.67361738×1041
          引力（H） 1/ （8.67361738）

2          电磁力（W） 7.08801875×1038
         电磁力（H） 1/（7.08801875×1038
）

3          弱力（W） 1.500946353×1017
          弱力（H） 1/（1.500946353×1017）

注：上表括号内的“W”表示力场居微部，“H”表示居宏部。
W理论认为，强力（W）——引力（H）、电磁力（W）——电磁力（H）、弱力（W）——弱力（H）分别是呈宏、微位似对称的三对力场。诸力场推导的最后一步使用了计算器。
2. 三代轻子及对应的中微子的质量理论值
名称
代三代轻子三代中微子
1代 τ =4096×729 γτ=4096×81
2代 μ =256×729 γμ=256×81
3代 e =729                  γe=81
3. 电子、磁子的质量理论值。电子：729；磁子：4096
4. 质子、中子的质量理论值
质子：1920（单位：729）；中子：1080（单位：1296）因为1920×729=1080×1296，故说质子与中子质量相等。