博客李淼

光子

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 $6\times 10^{-17}$ 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 $3\times 10^{-27}$ 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

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

光子的速度无非是群速度，所以有

$v(k)={dE\over dk}=1-{k\over M}$

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

$v(k)={dE\over dk}=1-{k^n\over M^n}$

对应于这个形式，延迟到达时间是

$\delta t={n+1\over 2H_0}{\delta E^n\over M^n}\int_0^z{(1+z')^n\over\sqrt{\Omega_m (1+z')^3+\Omega_\Lambda}}dz'$

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

这篇文章发表于 2009年3月1日, 星期天 19:29:14，属于分类理论物理, 宇宙学。你可以查看 HTML打印版或通过新闻聚合(RSS) 来追踪这篇文章的最新评论。

文章《光子》已有 76 篇评论

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57 考槃在涧
2009年3月3日 11:04:31
张晓宇：哈哈，厉害。能不能把家庭这个双态系统量子化？
58 张晓宇
2009年3月3日 11:05:34
为什么有宗教？
是人类大脑思维程序出现了死机，即思考问题时一种复杂的运算，并且这种运算量非常大，人类的的大脑没法给出运算结果，而产生的简单处理该问题的方法。
这就是宗教。宗教是处理人类复杂思维运算没有结果时的一种简单处理方法。
当人类的发展对该复杂运算有准确的结果时，宗教也就灭亡了。
为什么古代宗教在人类生活中很重要，现代科学发展了，宗教的作用也就削弱了。就是这个原理。
李老师对此有什么看法？
59 雪子
2009年3月3日 11:11:14
:)一年来,每天都大口大口地咀嚼着李老师下下的每一道”菜”.
60 张晓宇
2009年3月3日 11:17:58
哈哈！玩笑。
把家庭双态系统量子化需要数学家来帮忙了？
因为数学可以算尽人间感情厚薄，算尽盘古永终。
61 kk
2009年3月3日 15:57:36
今天看到李老师你们的文章出来了，就是你之前博客里说的有点“邪门”的那篇？看题目好像就是你这里说的内容。现在文章贴出来了，可以详细一点讲了吧？
62 李淼
2009年3月3日 16:40:49
雪子：

欢迎。

kk：

我看今天晚上有没有时间更新。
63 呵呵
2009年3月3日 18:18:26
marksun：

看来全国各地说法都差不多。我老家是说猫有七条命。猫在古埃及还是圣兽，可以辟邪。也许猫能在世界不同地方同时被神化，有某种必然性。
64 呵呵
2009年3月3日 18:46:18
关于有猫九条命的传说:

猫在休息时，喉咙中常会发出呼噜呼噜的声音。有人认为这是猫在打呼，但美国科学家却发现这是猫自疗的方式之一。人们之所以称猫有9条命，与猫休息时打呼有密不可分的关系。

科学家指出，无论是家猫或野猫，在受伤后都会发出呼噜呼噜的声音。这种由喉头发出的呼噜声有助于它们疗治骨伤及器官损伤。科学家从人类实验中也发现，将人体暴露于如同猫打呼声的声波下，有助于改善人类的骨质。

美国北卡罗莱纳州区系动物沟通研究所所长马金瑟纳尔表示，由于猫科动物可借自己发出的声波疗伤，因此“九命怪猫”的传说并非荒诞不经。

猫的爬高本领在家畜中可谓首屈一指。“蹿房越脊”对猫来说是轻而易举之事，有时甚至能爬到很高的大树上去。猫在遭到追击时，总是迅速地爬到高处，静观其对手无可奈何地离去后才下来。猫之所以能善于爬到高下低，这同它的全身构造有关。我们经常看到猫从很高的地方掉下来，而身体不会有丝毫损伤，而狗从同样高度掉下来的话，非死即伤，这就是人们常说的“猫有九条命”的由来。
65 一直想思考
2009年3月3日 20:47:34
中微子是纯辐射的，不满足麦方程，怎么会扯到光子上了？据说现在大部分人都认为它有静止质量了。
66 marksun
2009年3月5日 14:28:12
呵呵，

谢谢你补充的资料，很全面，似曾相识，今天又复习整理了一次。
67 中学生
2009年3月6日 18:42:03
一直想思考：
那些人是想尽早看到宇宙深处“飞来”的两个光子速度变化，这样狭义相对论就破产了。而且他们就是想通过来自宇宙深处的光子来观测到量子引力效应。类似于质子衰变实验那样的。。。可看意大利人马乔尼2000年发表的关于双狭义相对论的文章。不过他的思想还是很美妙的哦。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
68 中学生
2009年3月6日 18:48:41
学长们怎么又扯到中微子身上去了。。。。希望Fermi GLAST实验尽快有重要结果，以判定双狭义相对论是否提供了对自然的描述！
69 中学生
2009年3月6日 19:18:38
李老师：
您好！ Randall-Sundrum方案中Tev-膜和Planck-膜为什么要求是平行的呢？ Randall-Sundrum 5 方程的数学形式什么呢？我在一些暑期学校的讲义中看到过RS1和RS2的介绍，就是上海2006年弦论和M理论暑期学校讲义。我对
Small Extra Dimension RS方案很感兴趣。。。RS6出来了吗？
谢谢！祝您快乐身体健康。。~。。~
70 李淼
2009年3月6日 20:32:13
中学生：

不平行就会破坏Lorentz symmetry。

RS6？六维？应该有人尝试过。
71 中学生
2009年3月6日 20:36:15
李老师：
谢谢哦，
72 一直想思考
2009年3月6日 22:02:33
中学生兄：
看来我是你的学弟，哈哈，学长好。
73 中学生
2009年3月8日 14:38:58
一直想思考:
学长,你好!有空去我QQ空间踩踩我吧.网址:http://616224552.qzone.qq.com…..
74 马超群
2009年3月21日 0:47:52
最高原则的拥有者，
拥有这个词显得让我想起了拥有的个性，即每个人个自的拥有，让自我感觉独特，

事实上我更喜欢发现这个词，
比如我想象着自己是先知，我发现了如此多的事实，这样想着，我就愉悦了，
哈，
有些扯了。
75 杨波
2009年3月25日 15:26:35
李老师，光子的质量的修正，是否是因为规范场算符与量子引力算符在流形中的二圈图的真空耦合。请指点一下，多谢。
76 玻色子
2009年6月29日 0:26:46
光子静止质量是否真的为零，还是被规定为零的。事实上光子质量是永远不可能被精确测量到的，而别人却跟我争执说光子静止质量就是等于零，基本属于一个事实存在的。我想问李老师，你对光子静止质量为零是怎么看的？现在的测量精度已达到mr≤1.1×10^-49g。

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