单位文秘网 2021-09-01 09:05:41 点击: 次
组织观测实验来检验光线弯曲(然而,实验过程涉及许多误差因素,例如望远镜对焦系统的变化、大气扰动模型的变化以及由于热胀冷缩导致胶片尺寸的变化,大气层对于光线偏折的影响等等),实验结果与广义相对论的预言有的非常一致,有的则很不一致.但无论如何,20世纪60年代初,天文学家逐渐认为太阳确实使恒星发生偏折,并意识到爱因斯坦关于偏折量的预言比牛顿所预测的更接近于观测结果[3].但是广义相对论的预测与观测结果不符,爱因斯坦的理论可能需要更正.
1 光子静质量实验探索历程
光子,各种电磁辐射的量子,可以携带能量和动量在空间传播.从卡文迪什年代开始,科学家们就开始研究光子静止质量.长期以来科学家进行了大量的实验,但所有实验都仅仅给出不断精确的光子静止质量的上限数值,而光子具有非零静止质量这一假设迟迟未被实验证明,到目前为止,光子静止质量的实验检验大致可分为三大类:光速色散效应的检验、库伦反平方定律的检验以及精密扭秤检验[4].早在1940年,徳布罗意利用色散效应实验(双星实验)探索出光子静止质量上限为0.8×10-40g(见表1、图2).此后,科学家们纷纷采用类似的方法来检验光子静质量的上限.Florman、 Feinberg、 Hollweg、 Fullekrug等先后发表了自己的实验结果,不断精确光子静质量的上限.此外,1971年Williams采用五层同心二十面导球体验证库伦反平方定律得到相应光子质量上限为1.6×(见表1、图2).1998年,美国科学家Lakes提出了一个检验光子质量的新实验方法:利用扭秤来检验一个环状螺旋管与宇宙磁场失势的作用.然而,由于实验设计的缺陷,Lakes发现当宇宙磁场矢势的方向正好与地球自转轴方向一致时实验结果毫无意义,而且地球上其他周日波动效应(如温度、气压等)等不可忽略的因素使实验结果不很精确[4,5].2000年,华中科技大学引力实验室为了有效地克服Lakes实验中存在的缺陷,提出了一种调制扭秤检验光子静止质量的上限的动态试验方法.其基本思路是利用旋转扭秤的方法检验磁环的磁偶极矩与宇宙磁场矢势的相互作用,进而给出光子静止质量上限.经过多年实验积累,2003年,华中科技大学引力实验室完成实验并给出光子静止质量的上限1.2×10-51g(见表1、图2)[4,5,6].2006年,华中科技大学针对背景引力梯度改进了实验并给出了更精确的光子静止质量上限 (见表1、图2).与之前的实验结果相比该上限值精确了近一个数量级.表1给出了近年来科学家在光子静质量研究中的一些主要实验结果以及他们采用的实验方法,发现随着实验方法的不断改进,光子静止质量上限也不断逼近于零(见图2).
除此之外,历史上与光子质量相关的实验分析还有薛定谔“外来场”检验、非零光子静止质量的引力偏析、检验AB效应、AC效应、黑体辐射、Casimir效应、磁单极子的存在与否.一个世纪以来科学家使用不同实验方法不断精确光子静止质量上限.但使光子是否具有一个非常微小的非零静止质量是科学家们一直探索的问题也是物理学家无法回避的基本物理问题之一,而通过反复实验去验证是回答该问题的唯一途径.目前,一方面没有可靠的理论或实验反例来证明光子的静止质量必须为零;另一方面,现有的用于检验光子静止质量的实验都没有发现光子具有静止质量的实验证据且只能根据各自的实验精度给出光子静止质量上限,这表明即使光子具有非零静止质量,其实验待测效应也十分微弱.这些问题还需要科学家的不断探索[5,7].
2 光子的静质量上限计算
在过去的几个世纪中,基于麦克斯韦方程组的电磁理论物理学取得了显著的成果.它描述了光子质量为零时的宏观现象.然而,光子质量是否真的为零仍然是被科学家广泛关注的问题.通过简单的推导,可将麦克斯韦方程组变成Proca方程组并将非零光子质量引入电磁理论中[8].
除了上面讨论的效应之外,非零光子静止质量与磁单极子是否存在以及星际磁流体力学、电荷量子化等物理现象都密切相关.倘若考虑到非零光子质量的修正,麦克斯韦经典电磁理论描述的所有物理现象都会产生相应的效应.就目前而言,科学家得到光子质量的最高上限为10-66g,相比于其它已知粒子的质量该值是极其微小的.所以,即使光子质量不为零,在许多物理问题中讨论时,它的值也可以忽略不计[12,13].
3 结论与展望
人们对光子获得非零静止质量理论机制并没有定论,对于光子静止质量是否为零的计算大都是通过大量的实验去检验的.由于光子的静止质量很小,人们不直接测量光子的静止质量几乎不可能,因此,只有通过检验光子具有非零静止质量时所对应的物理效应,从而推导出光子静止质量,但是迄今为止,人们只能根据他们的实验精度给出光子静止质量上限.1971年,科学家基于静电荷电场作用力范围大小情况,估计光子的质量不会超过1.6×10-47g(见表1、图2).此外,利用地磁场的作用力范围情况,科学家估测光子质量不会超过2.0×10-47g(见表1、图2),后来根据木星磁场作用力的观测数据,进一步估测光子的质量不会超过8×10-49g(见表1、图2).2003年,我国学者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,用精密扭秤实验检验出光子静止质量的上限为1.2×10-51g[14](见表1、图2).并且后来在2010年2月份美国Physical Review Letters上,有专文指出:“中国科学家罗俊等通过一种新颖的实验方法,在一个山洞实验室里将光子静止质量的上限,进一步提高了至少一个数量级,结果表明在任何情况下,光子的静止质量都不会超过10-51g,这一结果是之前已知的光子质量上限的1/20”[15].而目前光子静止质量的上限最精确为10-66g,可见这个值是极小的,在许多问题中可以忽略不计,这个值既不能否定也不能肯定光子有静止质量,目前物理学家们能做的就是逐步将该上限值向确定的可探测极限零逼近.然而,要从实验中精确地得到光子静质量等于零是有一定困难的,一方面,光的静止质量是有限的,但这个静止质量非常小,因此有必要设计巧妙而精确的实验来尽可能消除相应的误差,但做到并不容易;另一方面,目前关于光子如何获得光子静止质量的理论还未形成,给如何计算测定光子静止质量带来了一定的困难.由此启发我们要不断改进测量手段,从而不断提高光子静止质量的数量级,若经过实验检验光子仅具有十分微小的静质量,也将会对现今整个物理体系结构产生巨大影响.此外,随着物理学的发展,物理实验将迎来重大新突破,而实验新突破也将迎来更为精确测量结果的出现,这也就迫切需要寻求一种新的物理理论的解释.
参考文献:
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