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光到底有没有质量?光子的大小和波长是什么关系?

2018-06-22  无悔大哥c...

质量有两种,一种是静质量,一种是动质量。静质量和能量的关系为E^2=p^2c^2+m^2c^4,其中E为能量,p为动量,c为光速,m为静质量。如果一个粒子没有静质量m,那么它动量和能量的关系就为简单的E=pc,也就是说这个粒子必须以光速c运动。这个粒子正是光子,它没有静质量m,它的能量E=ħω,动量p=ħk,其中ħ为约化普朗克常数,ω为角频率,k为波矢。因为光子c=ω/k,它符合E=pc,所以光子没有静质量。

但是光子具有动质量。动质量和能量的关系为E=Mc^2,就是爱因斯坦质能关系。其中M为动质量,E为能量,c为光速。这个公式可以看出动质量和能量是完全等价的,始终成正比,所以是动质量这个物理量也不是必须的,完全可以由能量来替换掉。一般提到引力质量,都是指这个动质量,其实完全可以直接写成能量。由E=ħω可知,光子的动质量为ħω/c^2= ħk/c。因此光子会受到引力的作用,会被大质量天体弯曲路径,产生“引力透镜”效应,也会被黑洞吞噬。

在量子场论中,一切基本粒子有没有大小,都是点粒子,光子也不例外。在测量之前,光子的波前可以分布在全空间,但实际上由于发射端的大小有限,会分布在一个有限的区域。测量后,光子的波函数塌缩成一个点,就是没有大小的点粒子。所以光子的大小和波长没有任何关系。在超弦理论中,点粒子虽然会被有限大小的弦来取代,但弦的大小也跟它的波长没有任何关系。总之,光子的大小与波长无关。

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