光子為什麼沒有質量？ - GetIt01

總結：我們說光子沒有質量，說的是光子靜質量為0。

但根據質能方程，光子仍然有能量。

2.實驗上是否有證據證明光子的靜質量為0？ 標籤：天體物理學物理學理論物理量子物理 光子為什麼沒有質量？ 11-27 如果光子沒有質量，那為什麼會有引力透鏡、愛因斯坦十字的產生？又為什麼會無法逃逸黑洞？E=mc2，沒有質量哪裡來的能量？那又為什麼光照過的地方會產生壓力？ 謝邀。

這裡分兩步來回答：1.光子是零質量嗎？沒有質量為什麼會有能量，不是說質量和能量等價嗎？2.是否有實驗來證明光子的靜質量真的為0。

1.光子質量是多少？物理學家的答案是，光子靜質量為0，但是它是有能量的，這也和愛因斯坦質能方程不矛盾。

它的邏輯是這樣的。

把一個粒子加速到一定速度v，牛頓力學定義了這個粒子的動量p。

動量是正比於速度v的，它的比例係數稱為粒子的質量m。

狹義相對論中，把牛頓力學中動量p的定義進行了推廣，儘管p和v指向同一方向，但它們不再成正比。

它們通過「相對論質量」聯繫起來，.當粒子靜止時，它的相對論質量有著最小的值，稱為「靜質量」。

在狹義相對論中，能量和粒子的質量和動量相關，就是所謂的質能方程（以下兩個方程式等價的）：或者 由這個方程可知：1. 如果粒子靜止，那麼p=0，並且。

2. 如果粒子的靜質量為0，那麼。

在經典電動力學中，光的能量和動量正好滿足關係。

量子力學中，光也被看做是粒子：光子。

儘管光子無法靜止下來，它仍然可以用相對論的質能方程描述，並認為它靜質量為0。

於是，質能方程既可以應用到有靜質量的實物粒子也可以應用到無靜質量的光子。

要注意的是：靜質量是粒子的固有屬性，所以物理中所說的質量，一般都是指靜質量。

總結：我們說光子沒有質量，說的是光子靜質量為0。

但根據質能方程，光子仍然有能量。

2.實驗上是否有證據證明光子的靜質量為0？僅從理論上來說，如果光子靜質量不為零，量子電動力學就會失去規範不變性，從而導致這個理論無法重整化。

另外，電荷守恆無法自動保證。

儘管有質量的光子會導致理論上的困難，但物理是實驗科學，說光子靜質量為0仍需要實驗來檢驗。

目前幾乎不可能用實驗直接證明光子靜質量為0，我們最多能給出光子靜止量的上限。

所以，物理學家設計各種實驗來給出光子靜質量的上限。

實驗原理是這樣的，如果光子有靜質量，靜磁場的行為會有所變化，通過用衛星測量星球的磁場，就可以推算出光子靜止質量的上限。

電荷成分探測(ChargeCompositionExplorer)宇宙飛行器曾給出一個上限是kg。

後來，在實驗室中通過觀測卡文迪許天平實驗中的反常力，又給出了更精確一點的上限kg。

之後對銀河磁場的研究，再次給出更好的上限kg的值。

已知最輕有質量的粒子中微子的質量大約是kg。

光子質量上限也是它質量的100億億億分之一。

所以如果你提出一個光子有質量的物理理論，光子質量也必須是非常非常輕的。

如果對這方面實驗感興趣，可以讀讀文獻：E.Fischbachetal.,PhysicalReviewLetters73,514–51725July1994. 以下行文當中，涉及相對論時所使用的均指不變質量，「相對論性質量」一律標註為。

關於相對論性質量這一概念的存廢仍然存在部分爭議，本文不負責討論支持方觀點，且不會使用這一概念來回答題主的問題【但我仍然會詳細談到這個概念】，請在閱讀時注意這點，如有需要請自行查閱相關資料。

僅就我個人的經歷出發，和題主類似的困惑，基本都是由於相對論性質量（relativisticmass）這個有些糟糕的概念帶來的誤解。

題主的困惑來源於在相對論中混入牛頓理論，相對論性質量某種程度上亦如是。

要深究這些誤會的來源，我們最好把整個脈絡梳理一遍。

質量這個概念的來源 1.質量最初的定義來自於牛頓力學中的第二定律這個方程當中，加速度a是有良好定義的時空幾何量，牛頓第二定律則同時定義力F和質量m，並給出力和質量的測量方法。

①另外，在牛頓力學當中暗含了「質量」應當是某種和研究對象運動狀態無關的參量，即對物理慣性的度量是參照系無關的，僅僅取決於材料的不同（這一性質並不顯含於第二定律當中），這一點亦成為牛頓從密度出發給定質量測量方法的依據。

由於這一質量刻畫質點被加速的難易程度，也就是慣性，因此被稱為慣性質量。

2.質量的第二個定義來源於牛頓引力理論，也就是俗稱的萬有引力定律在這個方程中，質量充當的則是「引力的荷」，類似於電荷在靜電理論當中的地位。

由於兩種質量的物理意義不同，為了區別，這一質量被稱作引力質量。

② 題主的第一個問題：「如果光子沒有質量，那為什麼會有引力透鏡、愛因斯坦十字的產生？又為什麼會無法逃逸黑洞？」隱含的意思是，「質量是引力的荷，如果光子沒有質量，那麼光子應該不受引力，因而應該不存在引力透鏡等現象才對」。

3.慣性質量和引力質量是等價的，並被高精度的實驗所證實。

這一性質亦是廣義相對論的出發點之一。

現在回答題主的第一個問題：如果光子沒有質量，那為什麼會有引力透鏡、愛因斯坦十字的產生？又為什麼會無法逃逸黑洞？ 光子確實沒有質量（零質量，massless） 這並不妨礙光子在廣義相對論當中可以在引力場中發生運動軌跡偏折 因為上面談到的引力是牛頓引力，而實際上牛頓力學無法處理零質量粒子（第二定律會失效）③。

光的偏折是廣義相對論給出的結果，而廣義相對論不使用「力」這個概念來處理引力，同樣也不能使用上述的「牛頓引力方程」，因為牛頓引力方程在這裡並不適用。

在廣義相對論當中，由於光子質量為零，因此其軌跡永遠為「類光測地線」（測地線為彎曲空間中的「直線」，廣義相對論中任何粒子都沿時空中的測地線運動）。

至於「直線」為何對觀察者表現為彎曲，是因為整個時空發生了彎曲。

光子在引力場中的行為，非但和它具有的能量（或者相對論性質量）沒有太大的關係，而且恰恰是光子「零質量」（針對類光這一點而言）的結果。

題主的第二個問題：E=mc2，沒有質量哪裡來的能量？僅適用於靜止粒子，或者總動量為零的複合系統（m分別指粒子或者系統的不變質量）。

對於動量不為零的情形，應當使用能動量關係（這個關係是閔氏時空本身的性質）：對於光子，其質量為零，因而其能量即光子質量為零，其能量和動量大小成正比。

假如一個粒子能量，動量和質量都為零，那麼這個粒子等價於不存在，也不可能為我們所探測到，或者說這個東西就不存在「粒子」的概念。

光子作為具有物理效應，可以觀測的零質量粒子，其能量必然不為零。

只不過光子能量大小不屬於相對論解決的問題範疇，這是量子理論的產物（包括光子這個概念本身也是）。

光子能量：題主的第三個問題：那又為什麼光照過的地方會產生壓力？壓力來源是動量轉移。

如前所述，光子具有動量，並且可以和物質發生作用，就能產生動量轉移，並對物體產生力的作用。

題主的終極問題：光子為什麼沒有質量？這個問題比較麻煩，提問方式也比較誇張，容我最後再來回答（但是我不能保證能夠提供給題主一個絕對滿意的答案）。

相對論性質量為什麼不是一個好概念 這是一個已經被廣泛討論的問題了，包括物理教育當中是否應該繼續使用這一概念，舉個例子：Whatisthedifferencebetweenrestmassandrelativisticmass?https://www.quora.com/What-is-the-difference-between-rest-mass-and-relativistic-mass因為它混淆了質量和能量的意義，讓質量這個概念變得模糊不清。

不變質量（invariantmass），又稱靜止質量（restmass），剩餘質量④是一個性質優良的質量概念，因為 首先它是一個Lorentz標量，意味著不變質量在參考系變換（Lorentz變換）下是不變數。

不變質量是參考系無關的，僅僅取決於基本粒子的種類。

這點我們上面提到的牛頓慣性質量性質相同。

對於實驗者而言，這是一個非常重要且方便的性質。

對複合系統，這個量同樣是一個守恆量（由能動量四矢量守恆保證），所以通過計算某個衰變道產物的不變質量，可以反推母粒子的質量。

這在高能物理中被廣泛用來尋找新粒子。

（XX峰，指不變質量譜當中出現的峰） 在靜止時，不變質量和牛頓慣性質量一致。

這是相對論兼容牛頓力學的自然要求。

相對論性質量可以滿足後兩點，可它就是能量（這個方程的意思是等價），我們為什麼還一定要把它定義為質量？這裡的邏輯是這樣的：在狹義相對論中，動量是，假如我們保持相對論中動量的形式仍然和牛頓力學中一致，那麼我們可以把定義一個新質量。

然而，這個「質量」實際上無法被應用到其他任何需要用到「質量」這個概念的地方（它無法取代不變質量），而在可以用到它的地方，我們真正需要的其實是能量和動量。

(或者更緊湊的形式——四維動量energy-momentum4-vector)。

⑤另外一些常見的困惑也是由這個概念引出的，比如相對論性質量產生引力嗎？或者說高速運動的粒子產生的引力場是否更強？Relativity(physics):Doesrelativisticmasshavegravity?https://www.quora.com/Relativity-physics-Does-relativistic-mass-have-gravity會產生這種疑問，正是沒有指定一個明確的質量，同時又想當然地帶入牛頓引力公式的結果。

愛因斯坦場方程當中 引力的「源」是能量-動量張量（stresstensor），我們的確可以把這裡面出現的能量，動量都用相對論性質量的形式寫出來，但與其同時使用兩個質量，不如僅僅使用能量，不變質量和動量，以免發生混淆。

再比如，質能方程的一個推論常常讓人困惑的一點就是「是不是質量轉化為了能量？」拋棄掉這套觀念以後，我們根本不需要面臨什麼轉化還是不轉化的困難，整個過程就是能量守恆的體現（此外因為動量守恆，系統的不變質量也守恆）⑥ 為什麼光子靜質量是零？ 現在我們來回答這個問題。

@北冥有魚提到 目前幾乎不可能用實驗直接證明光子靜質量為0，我們最多能給出光子靜止量的上限 這個說法不夠準確，應該把「幾乎」兩個字去掉。

我們不能直接證明光子質量為零，和我們不能直接證明超導體電阻為零，以及我們不能直接證明真空光速是一個常數的原因是一致，因為任何實驗總是存在不確定度的。

甚至，我們都不能證明引力常量，普朗克常數是絕對的常數，能量和動量是絕對的守恆的。

原因相同。

著名的，驗證光速各向同性的邁克爾孫-莫雷實驗中。

兩人最初的結果是干涉條紋移動不超過0.02個條紋，「以太風」速度上限不超過20km/s。

但這個結果被我們稱為零結果（NullResult），並且認可其證明了光速不變。

⑦所以如果讓我來回答，實驗上究竟是否證實「光子質量是零」我的回答會是「現階段而言，是」。

並且在實驗找到任何光子質量存在「下限」的跡象（或者真空光速存在不小於某個有限值的色散等）之前（這將意味著新物理的重大發現），我的回答都會是「是」，這個回答並沒有任何的不妥之處。

原因在於，任何實驗都是不能脫離理論存在的，因為我們能夠對物理量進行測量，能夠對實驗的不確定度進行估計，都依賴於理論的正確性，而高精度的實驗結果，又會反過來佐證理論的正確。

理論正是我們認識世界的工具，而實驗是認識世界的手段，二者缺一不可。

最自然的理論，都是以最理想化的形式形式呈現的，並且應當具有數量上儘可能少的假設——做出假設越少的理論越可能是正確的。

這樣我們在將其應用到實際情況時，可以方便地把各種非理想的因素考慮進去，從而實現對現實情形的不斷逼近。

也正是如此，理論物理學家們才會如此執著於「上帝粒子」（希格斯玻色子）和「萬物理論」（TOE）。

因為「零質量」是最自然的，是最對稱（symmetric），最簡潔，不需要理由的；形形色色的基本粒子數值各異的「非零質量」反而是不自然的，需要額外假設的，由對稱性破缺產生的，應當加以解釋的。

⑧所以在沒有其他進一步的實驗證據以前，我們認可光子應該為零，而不是一個極小的量的原因，套用@北冥有魚的話。

如果光子質量不為零，真空光速將不再是常數，QED將不是規範不變的，電荷守恆也無法自動保證。

（實際上這個變化還會影響到麥克斯韋方程組）。

因此，如果僅僅一條光子質量為零的假設，就能使得一個理論和如此多正確性相當可靠的事實相兼容，那麼認可光子質量為零是最自然的選擇。

不過這回答了題主的問題了嗎？我想沒有。

或許題主自己並沒有意識到，不過「為什麼」確實是一個從上帝視角提出的問題。

真正需要回答為什麼的，是這樣一個問題：「為什麼電磁相互作用或者說光子的地位如此特殊？使得光子的質量是零，賦予光速不變性和其在相對論中的獨特地位？」沒人能回答這個問題。

引用反民科吧和相對論吧吧友小和尚所言的話，大概是因為上帝需要宇宙具有某種結構吧。

世界的可理解性是它永恆的謎……而人可以理解這個世界是一個奇蹟。

——愛因斯坦 註：①需要注意的是，這並不是循環定義，或者說，這種純粹數學形式意義上的循環定義不影響我們對於物理量的正常使用。

因為力F並不具有單獨存在的意義，也無法被單獨定義，力F是牛頓理論當中選取的對相互作用的描述方法，在現代物理理論當中，這個概念已被場和勢所取代，但我們仍然加以沿用，因為它簡單，這種簡單是可以和經典體系當中其他描述相互作用的動力學理論（麥克斯韋電磁理論，牛頓引力理論）互相完美兼容的簡單。

在Penrose的TheEmperor"sNewMind一書中，這種物理理論的體系邏輯自洽特性被稱為超等super-equal ②嚴格細分下去還分為主動和被動引力質量③但是牛頓運動定律和引力理論可以處理質量無窮接近於零的粒子——請注意這和零質量粒子是不同的——因為根據引力質量和慣性質量的等價性，我們可以約掉這對質量並得到不含質量的粒子運動方程。

並且同樣可以構建出光無法逃逸的「黑洞」模型，這種黑洞被稱為「拉普拉斯黑洞」。

idea也很簡單，令天體表面的逃逸速度（第二宇宙速度）等於光速即可。

這個式子稍加變形，可以得到和用廣義相對論導出的Schwarzschild半徑相同的表達式④靜止質量的另一種翻譯，由於光子並不存在靜止參考系（restframe，指對象粒子在其中靜止的參考系。

光子在任意慣性系中都以光速運動，且相對論禁止光速參考系的存在），因此這一名詞對於光子而言意義有問題，將其翻譯為剩餘質量是一種規避不嚴格語義的trick。

另外一種選擇是直接使用「不變質量」這一名詞。

⑤比如最常見的相對論性質量的應用，相對論框架下的牛頓動力學方程中可以看到，這裡的慣性是各向異性的，並不能簡單地用來度量。

如果要得到正確的運動方程，應該使用的是歐拉形式的牛頓第二定律然而這裡核心的物理量是動量，只需要我們有正確的動量表達式就能得到正確的方程，定義為一個新的質量並不是必要的手段。

（但是可以幫助記憶公式）⑥最簡單的例子就是靜止的正負電子對湮滅，放出兩個光子正負電子均靜止，動量為零，根據能動量關係，可得初態系統總能量為，總動量為零，根據能動量守恆，末態兩個光子動量符號相反，因而能量相同，均為系統總能量的一半。

系統的不變質量始終為⑦後來的實驗精度陸續提高，在現代實驗當中，光速各向異性的上限已經被壓縮到了的微小量級，詳見中英文維基詞條。

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%BF%88%E5%85%8B%E8%80%B3%E5%AD%99%EF%BC%8D%E8%8E%AB%E9%9B%B7%E5%AE%9E%E9%AA%8CMichelson⑧對萬物理論而言，宇宙只有一套統一的描述，表現為不同的相互作用形式應當都是對稱性破缺的產物。

然而這仍然只是物理學家一廂情願的想法而已，實際上，宇宙完全有可能就是某種不和諧的傑作——譬如那些基本粒子的特定質量都是上帝隨手寫的數字，whoknows？ 里的E並不是總能量，而是物質質量所對應的能量（質能）物質的總能量是由方程來與物質的質量和動量所聯繫的所以從這個角度思考，假如光子有質量，那麼它的動量()它的總能量將會是無窮大，而這是不可能發生的事情。

因此，光子在任何參考系速度恆定為光速的這個性質導致了它沒有並且也不應該有質量。

事實上，光子由於沒有質量，它的動量並不由決定，而是。

因此光子的動量是有限且不為零的。

光子發生碰撞時會動量會轉移，而動量轉移的這個過程導致了光壓。

()其他回答也提到了動質量（相對論質量）這個概念該被扔掉，因為它被創造出來就是為了適應原來的牛頓力學。

然而相對論力學本身就是牛頓力學在更廣泛情況下的擴展，動質量的本質就是物質的能量，而它的出現只會對初學者造成更多的混淆並對理論和計算沒有任何幫助，所以請丟掉這個概念，物質只有一個質量，那就是它的靜止質量。

另外，光子為什麼會被黑洞所吸引這個問題網上應該已經有了很多答案了，題主自己搜索一下應該就能找到。

動質量的說法，是一個歷史遺留問題。

ItisnotgoodtointroducetheconceptofthemassM=m/√（1-v2/c2）ofamovingbodyforwhichnocleardefinitioncanbegiven.Itisbettertointroducenoothermassconceptthanthe"restmass"m.InsteadofintroducingMitisbettertomentiontheexpressionforthemomentumandenergyofabodyinmotion.——AlbertEinsteininlettertoLBarnett(quotefromL.B.Okun,"TheConceptofMass,"Phys.Today42,31,June1989.) 光子是沒有restmass（可以翻譯成靜止質量？），為什麼呢？因為光子沒有自己的靜止坐標系。

如果一個粒子有質量的話，那麼通過洛倫茨變換一定可以把它變換到一個靜止坐標系（restframe)中，即它的reducedvelocity是0。

而光速被稱為對角速度，就是不管坐標系怎麼變換，光速都是一個恆定量。

所以狹義相對論下，光子不會靜止，所以自然光子就沒有restmass了。

所以光子沒有rest質量是我們這個宇宙的時空結構決定的（如果相對論是正確的話）。

但沒有restmass不代表沒有動量和能量，有動量自然就有光壓咯。

其實從相對論的觀點來看，能量和動量的概念比質量的概念要基礎多啦。

在經典力學中占核心地位的質量早就退位讓賢了。

就回答一個問題：光子為什麼沒有質量？從場論的角度說，這是由光子場本身的特性決定的。

光子場必須擁有規範不變性，而這種規範不變性禁止出現質量項。

可能有人覺得上面的話太深奧了，通俗點的說，根據量子場論，光子場的拉格朗日量要滿足一種特殊的對稱性，而質量項並不滿足這種對稱性。

所以為了保證拉格朗日量的對稱性，質量項是不能出現的。

所以光子就沒有質量了。

當然，根據弱電統一模型，考慮質量時還必須要考慮對稱性自發破缺的因素，但是即使考慮到對稱性自發破缺，光子也是沒有質量的。

實際上，這個問題，目前物理學還不能回答。

那些解釋的理論，比如規範場理論，其實都是只有光子靜止質量為0，這些理論才成立。

又拿這些理論來解釋光子靜質量問題，這個是循環論證。

這個類似廣義相對論的等效原理，和光速不變原理，反正現在沒有發現反例，理論推導又符合實際物理過程，所以，目前的物理理論，假設光子靜止質量是0，可以看作是一個基本原理，不能從其它理論推導出來。

在目前的物理理論中，光子、光速，處於一個特殊的位置，是先存在的基本原理，只能假設原理存在，不能推導出來。

你來問為什麼，目前的物理學，其實無法回答。

就跟你問為什麼光速不變，這個不能回答。

目前為止，誰也不知道為什麼。

?????我來說一下 研究方向量子相關。

北冥有魚的高票答案已經回答的比較全面了，我再精鍊一下。

首先給出結論，光子靜止質量為0，但其具有等效運動質量。

1.下式為廣義相對論質量公式，m為粒子運動質量，m0為粒子靜止質量，v為粒子運動速度，c為光速。

光子屬於廣義粒子。

我們知道光子的運動速度為光速c，這就使得公式分母為0，而要保證運動質量m的有限性，必須使得分子，即光子靜止質量m0為0.這就是光子靜止質量為0的依據。

2.下式為廣義相對論能量公式，E為粒子總能量，p為粒子動量。

其他符號物理含義同上。

由1我們知道光子的靜止質量為0，那麼上式等號右邊第一項為0.可以得到E=pc.我們知道在經典物理中有動量公式P=MV(在這裡我們用大寫字母表示經典物理公式).作為類比，我們在談及光子的動量時令光子的動量p等於其等效運動質量m乘以其運動速度c.即， 重點來了：同時，根據普朗克光量子能量公式E=hv，其中E為光子擁有的總能量，h為普朗克常數，v為光頻率(注意:1中的V為粒子速度，2中的V為光頻率。

)。

將E=hv帶入上式，可以得到， 通常，我們把用上式描述的質量叫做光子的等效運動質量、運動質量或相對論質量。

3.【番外篇】A.那麼等效質量有用嗎？是的。

研究發現，等效質量擁有和質量類似的物理屬性。

例如，我們知道，當一個經典物體從離地高空下落時，重力勢能會轉換為動能。

驚奇的是光子也有類似性質，因為光子具有等效質量，也擁有「勢能」。

其從外太空照向地面的過程中，這種「勢能」也會轉化為光子能量，導致光子能量E上升。

由於普朗克常數不變，E的上升直接導致光子的頻率增加，波長變短，即所謂的波長「藍移」。

B.當然在分析黑洞理論或者中子星時，光子是否可以逃逸出這些天體，也涉及到光子的等效質量，這裡就不細說了。

早晨到辦公室純手動碼的，大家給個辛苦贊呀。

如果有疑或問，歡迎大家指出，一起探討。

這麼解釋吧，設光子的運動質量為m，靜止質量為m0,根據相對論質量m=m0/(1-v2/c2)?如果v=c那麼分母就為0了，這個表達式就沒有意義了但是讓m0=0,就變成0比0形，表達式又有意義所以推出光子的靜止質量為零 題主要搞清楚基本概念啊，科學裡的事，差一個字都要很謹慎 首先光速不能停止，光速相對於任何參考系，其速度不變，如果光速靜止甚至是低於C,那麼相對論就是錯誤的。

所以光速不能停止，光子的質量，是其質能方程轉換來的質量，即其所含能量轉換出來的質量。

任何運動的物質都有質量，記住這句話，所謂相對靜止只能在遠低於C的環境下才可以使用。

也就是牛頓定律的使用範圍。

所以在地球上討論光速靜止，井底之蛙。

質量這個詞本身就是人定義出來的，並不是什麼與生俱來的。

定義質量來源於牛頓的第二定律和萬有引力定律，光子的各種規律不符合牛頓定律，因此沒有質量很正常。

但是在愛因斯坦的廣義相對論里，質量又被定義成使時間空間發生彎曲的量，這是不是意味著光子不能使時空產生彎曲？ 愛因斯坦提出過光的波粒二象性理論，光子不止有波的特性，還有物質的性質，物質就有質量。

一束光照射到靈敏質量計時是有質量的，具體的請參考狹義相對論和時間簡史！ 光是能量的一種表現形態，也可以說是速度的終極形態，質量也是能量的一種表現形態，發光的物體會消耗能量，能量變化的過程，所以有了時間這一現象，時間的本質在於物體發生了變化的過程，沒有變化就沒有時間。

光也就是能量波一般都需要以發光物為基體，所以你也可以稱他有質量，其實磁也是沒有質量的能量 推薦閱讀： ※是不是會存在這種黑洞？※我手中橡皮的原子和銀河系外一顆恆星的原子之間有引力作用嗎？※《來自星星的你》結局中的蟲洞是什麼？※不考慮墜物，被倒塌房屋砸死等情況，在地球忽然停止自轉的時候跳起能否倖存？※假設將太陽擠壓使其半徑小於史瓦西半徑，那麼根據霍金輻射，這個黑洞將在幾毫秒內消失？ TAG:物理學|理論物理|量子物理|天體物理學| 一點新知 GetIt01