在量子力学与相对论中，我们经常能够看到“光子没有静质量”的言辞，那么什么是静质量呢？光子没有静质量到底是什么意思呢？这个世界真的会存在没有静质量的物质吗？还有静质量有没有的区别与意义又是什么呢？

本文，将会从理论与实验两个角度，去解读光子与静质量的关系，以及静质量的意义与来源。

主题目录如下：

• 为什么光子没有静质量
• 静质量从何而来

为什么光子没有静质量

静质量（Rest Mass）——也可以译作剩余质量，又称不变质量（Invariant Mass），它通常是指物体静止时，所拥有的质量，属于物体内在的属性，不随参考系变化，在性质上与惯性质量一致。

首先，从理论上来说，光子没有静质量是一个假设，并且很多其它物理理论依赖于它。

例如，如果光子具有静质量，那么真空光速将不再是常数，量子电动力学将不再具有规范不变性，电荷守恒也无法自动保证，甚至还会影响到麦克斯韦方程组的成立。

规范不变性（Gauge Invariance）——是拉格朗日函数和运动方程，在规范变换下保持不变的性质，即：变换后所有物理量和物理规律保持不变。而规范不变性要求规范场玻色子（如光子、胶子）的静质量为0。

拉格朗日函数（Lagrangian Function）——是粒子系统的动能减去其势能的运算。

规范变换（Gauge Transformation）——是对称操作，具体是指场的相位变换。

相位（Phase）——就是一个波，其循环中的位置，如：波峰、波谷、或是峰谷之间某个点的标度。

事实上，假设是可以修改的，如果非要假设光子有静质量也行，只不过受其影响的理论都要做出相应的修订。而这些理论，目前在光子没有静质量的假设之上工作的很好，也得到了大量实验的验证。

那么，为什么最开始会假设光子没有静质量呢？这是源于狭义相对论的推理，可以从两个方面来说：

第一，狭义相对论假设光速不变原理，也就会说光子在任意惯性系中都是光速运动，且不存在光速参考系的存在。

因此，光子就不存在静止参考系（Rest Frame），即：不存在光子在其中静止的参考系。所以，光子就不会静止，进而假设光子没有静质量（Rest Mass），就是一种比较自然的选择。

而静质量，又称为不变质量（Invariant Mass），是因为运动是相对的，那么运动对应的动质量就是随参考系变化的，于是不随参考系变化的，自然就是不变质量了。

所以，相对论质量 = 变动质量（依赖参考系） + 不变质量（不依赖参考系），即：动质量 + 静质量。

第二，狭义相对论的质能方程指出，E = mc^2（m是相对论质量）或等价于 E^2 = p^2c^2 + m^2c^4（p是相对论质量的动量，m是静质量）。也就是说，总能量 = 内能（或称势能） + 动能，其中内能来源静质量，动能来源动质量。

显然，如果微观光子静质量为0，那么上述方程得到：E = pc，而在经典电动力学中，宏观光的能量和动量刚好满足：E = pc，于是这样假设刚好就统一了光在宏观与微观的方程。

其次，我们从实验角度来看，并没有证据表明，光子的静质量为0。

实验原理是，如果光子有静质量，静磁场的行为会有所变化，那么通过测量星球的磁场，就可以推算出光子静止质量的上限。

目前的实验结果是，光子的静质量上限在10^-51kg到10^-62kg之间，要知道已知最轻的有静质量粒子——中微子，其质量是10^-36kg，光子比中微子要轻几十个数量级。

那么可以想象，光子的静质量如果存在，是该有多么多么的渺小，以至于我们甚至都会怀疑——我们的实验精度，是否真的能够计算出光子的静质量。

另外，实验给出的是光子静质量的上限（即不会超过的数值），而没有给出下限（即不会低于的数值）——换言之，光子静质量的下限就是不确定的，可能等于0。

最后，综上可见，虽然光子没有静质量是一个假设，但在目前人类知识的范围内，是极其确定的一个结论。

静质量从何而来

从前文论述的相对论视角来看：

首先，动质量就是能量，是运动对应的能量，即动能。

显然，运动是相对的，所以动能是相对的，但根据光速不变原理，光子的光速运动没有相对性，因此光子的动能（或说动质量）并没有相对性，而是绝对的。

因此，我们可以说，光子没有静质量，只有动质量，且携带“绝对动能”。

其次，一切都在运动，宏观静止，其静质量来源物体的内能，也就微观势能。

而这个势能，绝大部分都是由强力带来的强相互作用，而相互作用其来源是基本粒子的运动，其本质还是动能，即动质量。

例如，强力的传播子是胶子，它和光子一样没有静质量，但它却提供了原子核内部大约95%的质量来源，而这个质量在宏观看来，就是原子核的静质量。

那么，基本粒子的静质量来自何处？

答案就是——希格斯场的“阻力”，希场自发对称性破缺，产生对基本粒子运动的阻碍，只要运动不抵达光速，就会表现出静质量。

因此，没有静质量的基本粒子，都不会和希场发生相互作用，即：被希场降低速度到光速以下。

然而，胶子虽然不和希场作用，但会和其它物质相互作用——阻碍它们抵达光速，并让上层结构（如原子、分子、复合结构），看起来是存在静质量一般。

那么，其实这些宏观的“静质量”，大部分都是能量，即基本粒子的动质量，而这也是宏观场的“静质量”来源。

Mr.zhu

2025-05-23 12:38:43