光子没有质量为什么会有动量？
光子不是没有质量嘛，为什么还有动量，动量，我知道光子动量等于h/λ，就是想不通没有质量哪来的动量，求大神帮助。。。
6个答案
如果你想用mv来定义粒子的动量，那这里m必须是动质量，即和能量完全符合E=mc^2关系的质量，而不是静质量（proper mass）
。由于“动质量”和能量严格地成比例，这个定义的意义不大。
狭义相对论中动质量和静质量的关系为
（1）
对于光子来说，
，
。你没法确定光子的动质量m。
但幸运的是光子同时也是波。在量子力学中，波的能量
，于是你可以说光子的动质量
（2）
然后乘上个光速c 就得到光子动量了。
但通常的习惯不用这么麻烦，因为物理学家很早之前觉得动质量这个定义没有必要，用波的动量
更直接。
以上的简单推导同样适合那些静质量不为零的粒子。那些粒子的德布罗意波长就可以从公式（2）得到，而且你更会发现，这些静质量不为零的粒子，其相速度
，都是大于光速c的，有意思吧。不过这些自由粒子携带能量的速度是群速度
，所以不会违反相对论
。由于“动质量”和能量严格地成比例，这个定义的意义不大。狭义相对论中动质量和静质量的关系为
（1）对于光子来说，
，。你没法确定光子的动质量m。但幸运的是光子同时也是波。在量子力学中，波的能量
，于是你可以说光子的动质量 （2）然后乘上个光速c 就得到光子动量了。
但通常的习惯不用这么麻烦，因为物理学家很早之前觉得动质量这个定义没有必要，用波的动量
更直接。以上的简单推导同样适合那些静质量不为零的粒子。那些粒子的德布罗意波长就可以从公式（2）得到，而且你更会发现，这些静质量不为零的粒子，其相速度
，都是大于光速c的，有意思吧。不过这些自由粒子携带能量的速度是群速度，所以不会违反相对论
在相对论力学中，物理量的定义和低速宏观的经典力学有所不同
简单地说，为了同时满足低速时过渡到经典力学而高速时又符合相对论，需要把经典的物理量扩展为相应的四维协变量
======抄书中======
比如四维速度的定义是
，其中
四维动量可以定义为
对于光子来说，虽然
，但因为，
的分母为0，所以这时候的动量实际上是个0·∞的不定式，要用别的方法来确定取值
而根据质能方程
，可得
简单地说，为了同时满足低速时过渡到经典力学而高速时又符合相对论，需要把经典的物理量扩展为相应的四维协变量
======抄书中======
比如四维速度的定义是
，其中四维动量可以定义为
对于光子来说，虽然
，但因为，的分母为0，所以这时候的动量实际上是个0·∞的不定式，要用别的方法来确定取值而根据质能方程
，可得
科技新知──四維量子霍爾效應
二十世紀物理有一件事非常奇特：高能粒子物理得向低能凝態物理取經。這與一般的想像相反，因為照理說，高能物理的目的在追尋基本交互作用規則，而其他物理學門僅是在了解與應用高能物理所找到的規則。所以高能物理是知識之源，如果有取經之事，應是其他學門向高能物理取經才對。而且高能物理研究的現象以能量論，是一般凝態現象的十億、百億倍以上，差異太大，怎麼可能有什麼類似之處？
但事實卻是，高能物理只有在取用了超導體 BCS 理論的精髓──「自發對稱破缺」之後，才找到正確的機制，建立起標準模型。具體一點地說，傳遞弱交互作用的Ｗ玻色子之所以帶有質量，其原理和超導體裡的光子也帶質量（即邁斯納（Meissner）效應）是一樣的。亦即對於弱交互作用來說，真空就是一個超導體。Ｗ玻色子是自旋為 1（以普郎克常數為單位）的向量粒子，所以應該用規範場來描述。但是在最單純的規範理論中，向量粒子不帶質量，而Ｗ玻色子的質量卻又不小。因此，要了解弱交互作用，最大的挑戰就是尋找一個賦予Ｗ玻色子質量的機制。除了前述的方法之外，其他賦予Ｗ玻色子質量的辦法都有缺點，行不通。也就是說，只有利用規範對稱的自發破缺規範，玻色子才能正當的獲得質量，而不會引出數學矛盾。此外，強交互作用的基本現象──「手徵對稱」自發破缺也是物理學家南部陽一郎（Y. Nambu）從超導體理論取得靈感，才提得出來的。
從表面上看，天南地北很不一樣的現象，其背後居然隱藏著同樣的機制，一定有深刻的道理。這道理來自於制關鍵在於粒子物理與凝態物理其實有著奧妙的共同點。粒子物理所依賴的量子場論就是無窮維理論，而凝態物理根本就是多（無窮）體物理，所以兩者所研究的系統都有無窮維自由度。從數學角度來看，無窮維問題比有限維問題難度高很多。單純靠數學推論，很不容易看出理論的涵義。如果有實際的凝態系統以為參照，我們可以歸納出憑空想像不到的量子態（即量子場論的解），在建造粒子模型時，是很大的助力。當然，反過來看，高能場論的技巧也可以幫助解決凝態物理問題。因此，每當無論是高能或是凝態物理有了進展，必然會有人想要將它應用到另一方。
但事實卻是，高能物理只有在取用了超導體 BCS 理論的精髓──「自發對稱破缺」之後，才找到正確的機制，建立起標準模型。具體一點地說，傳遞弱交互作用的Ｗ玻色子之所以帶有質量，其原理和超導體裡的光子也帶質量（即邁斯納（Meissner）效應）是一樣的。亦即對於弱交互作用來說，真空就是一個超導體。Ｗ玻色子是自旋為 1（以普郎克常數為單位）的向量粒子，所以應該用規範場來描述。但是在最單純的規範理論中，向量粒子不帶質量，而Ｗ玻色子的質量卻又不小。因此，要了解弱交互作用，最大的挑戰就是尋找一個賦予Ｗ玻色子質量的機制。除了前述的方法之外，其他賦予Ｗ玻色子質量的辦法都有缺點，行不通。也就是說，只有利用規範對稱的自發破缺規範，玻色子才能正當的獲得質量，而不會引出數學矛盾。此外，強交互作用的基本現象──「手徵對稱」自發破缺也是物理學家南部陽一郎（Y. Nambu）從超導體理論取得靈感，才提得出來的。
從表面上看，天南地北很不一樣的現象，其背後居然隱藏著同樣的機制，一定有深刻的道理。這道理來自於制關鍵在於粒子物理與凝態物理其實有著奧妙的共同點。粒子物理所依賴的量子場論就是無窮維理論，而凝態物理根本就是多（無窮）體物理，所以兩者所研究的系統都有無窮維自由度。從數學角度來看，無窮維問題比有限維問題難度高很多。單純靠數學推論，很不容易看出理論的涵義。如果有實際的凝態系統以為參照，我們可以歸納出憑空想像不到的量子態（即量子場論的解），在建造粒子模型時，是很大的助力。當然，反過來看，高能場論的技巧也可以幫助解決凝態物理問題。因此，每當無論是高能或是凝態物理有了進展，必然會有人想要將它應用到另一方。
但是，在解释核相互作用时，理论遇到了麻烦。核力是短程力，这意味着不同于电磁场中无质量的光子，核相互作用对应的粒子是有质量的。简单的给传递相互作用的粒子赋予质量会带来灾难性的后果，某些结果会出现无穷大。20世纪60年代早期，人们急切需要找到在理论中引入质量的另一种途径。
聚焦诺贝尔物理奖：粒子的质量是怎么来的
|
好久没写了，最近好忙。Higgs获诺贝尔物理奖了。拐弯抹角的，不管拐了多少弯，抹了多少角，姑且假设咱也和Higgs有点关系吧，哈哈。翻译一篇报道吧，算是纪念。图片是Peter Higgs在CERN。
Particle proposed and discovered. Peter Higgs, one of the 2013 physics Nobel Laureates, stands in front of the CMS detector, part of the Large Hadron Collider at CERN, the European particle physics lab. Researchers used CMS to observe the particle Higgs predicted 50 years ago.
原文地址：美国物理学会的报道
2013年的诺贝尔物理奖颁发给了两位理论物理学家，以奖励他们建立了Higgs机制。Higgs机制回答了基本粒子如何获得质量的问题。
在理论预言近50年后，粒子物理学家终于逮住了那个Higgs粒子。因此，今年的诺贝尔物理奖给了这次围猎行动的始作俑者，两位理论物理学家François Englert of the Free University of Brussels (ULB) 和英国爱丁堡大学Peter Higgs 。两人独立创立了一个模型，解释了粒子怎么有质量的问题。该模型预言Higgs波色子存在。文章都发表在物理评论快报上。美国物理学会有免费的文章。
经过实验物理学家近几十年的围追堵截，Higgs波色子成为了粒子物理标准模型中的最后一个在逃者。2012年6月，欧洲核子中心(CERN)华丽地宣布坐落在日内瓦的大型核子对撞机(LHC)发现了一个和Higgs波色子具有一样性质的粒子，这意味着实验物理学家已经确认了这一质量机制的基本理论。
从技术层面来讲，Higgs波色子不是直接给其他粒子质量。Higgs波色子是Higgs场的量子化。更精确地说，Higgs场是通过和其他粒子相互作用而产生质量的。但是，为什么不能假设质量已有的量呢？
回答这个问题，我们还得回看量子场论早起的工作。量子场与我们更常见的电磁场相似。然而，量子场中的激发态可以以粒子的形式被实验观测到。场可以分为物质场(对应的粒子如电子、夸克等)和相互作用场(对应的粒子如光子、胶子等)。20世纪40年代末，理论家证明了关于光子和电子的量子场论可以成功的解释高能区的电磁相互作用。
但是，在解释核相互作用时，理论遇到了麻烦。核力是短程力，这意味着不同于电磁场中无质量的光子，核相互作用对应的粒子是有质量的。简单的给传递相互作用的粒子赋予质量会带来灾难性的后果，某些结果会出现无穷大。20世纪60年代早期，人们急切需要找到在理论中引入质量的另一种途径。
Higgs, Englert, 和 Robert Brout 解决了这一问题，其中Robert Brout 是Englert的同事，已经去世。他们指出场通过与参与弱相互作用的粒子相互作用而赋予它们质量。之所以这样是因为在真空中场不为零。非零基态的存在破坏了被认为是量子场论的一个基本的对称性。早期的工作已经证明这种对称性的破坏会导致存在一种无质量，自旋为零的粒子，但是这与实验不符。Higgs, Englert, 和 Robert Brout 通过真空中的场与弱力场的耦合的办法证明了这种无质量，自旋为零的粒子不存在。当他们完成所有相互作用的计算的时候，他们发现被那个实验上否定了的无质量的，自旋为零的粒子实际上被弱相互作用粒子所吸收。结果这些粒子得到了第三个自旋态，而剩下的唯一的无自旋粒子是有质量的Higgs波色子。同年，第三个理论物理学家团队发现了相似的理论。
后续的工作证明，Brout-Englert-Higgs 机制(简称Higgs机制)不仅能给弱相互作用粒子质量，还能给电子、夸克等其他基本粒子质量。粒子与Higgs场的相互作用越强，质量越大。值得注意的是，多数复合粒子，如质子、核子、原子等，其质量并不是来自Higgs机制，而是来自将那些基本粒子束缚在一起的束缚能。
芝加哥大学的Michael Turner 说：“Brout and Englert and Higgs提出了一个非常聪明的想法，现在以‘Higgs机制’闻名于世。该机制解释了一个人们可以问的最原始的问题：粒子为什么有质量。这个问题简单到许多人都都不曾想过问这样的问题，但是它确实非常有意义的。”CMS实验的新闻发言人Joseph Incandela说：为了证明这一机制，粒子物理学家建造了史上最大，技术含量最高的实验装置，LHC，并发现了Higgs波色子。他说：“我想这回粒子物理学家甩掉了粒子物理是水中捞月的帽子。”
原作者Michael Schirber is a freelance science writer in Lyon, France.
Particle proposed and discovered. Peter Higgs, one of the 2013 physics Nobel Laureates, stands in front of the CMS detector, part of the Large Hadron Collider at CERN, the European particle physics lab. Researchers used CMS to observe the particle Higgs predicted 50 years ago.
原文地址：美国物理学会的报道
2013年的诺贝尔物理奖颁发给了两位理论物理学家，以奖励他们建立了Higgs机制。Higgs机制回答了基本粒子如何获得质量的问题。
在理论预言近50年后，粒子物理学家终于逮住了那个Higgs粒子。因此，今年的诺贝尔物理奖给了这次围猎行动的始作俑者，两位理论物理学家François Englert of the Free University of Brussels (ULB) 和英国爱丁堡大学Peter Higgs 。两人独立创立了一个模型，解释了粒子怎么有质量的问题。该模型预言Higgs波色子存在。文章都发表在物理评论快报上。美国物理学会有免费的文章。
经过实验物理学家近几十年的围追堵截，Higgs波色子成为了粒子物理标准模型中的最后一个在逃者。2012年6月，欧洲核子中心(CERN)华丽地宣布坐落在日内瓦的大型核子对撞机(LHC)发现了一个和Higgs波色子具有一样性质的粒子，这意味着实验物理学家已经确认了这一质量机制的基本理论。
从技术层面来讲，Higgs波色子不是直接给其他粒子质量。Higgs波色子是Higgs场的量子化。更精确地说，Higgs场是通过和其他粒子相互作用而产生质量的。但是，为什么不能假设质量已有的量呢？
回答这个问题，我们还得回看量子场论早起的工作。量子场与我们更常见的电磁场相似。然而，量子场中的激发态可以以粒子的形式被实验观测到。场可以分为物质场(对应的粒子如电子、夸克等)和相互作用场(对应的粒子如光子、胶子等)。20世纪40年代末，理论家证明了关于光子和电子的量子场论可以成功的解释高能区的电磁相互作用。
但是，在解释核相互作用时，理论遇到了麻烦。核力是短程力，这意味着不同于电磁场中无质量的光子，核相互作用对应的粒子是有质量的。简单的给传递相互作用的粒子赋予质量会带来灾难性的后果，某些结果会出现无穷大。20世纪60年代早期，人们急切需要找到在理论中引入质量的另一种途径。
Higgs, Englert, 和 Robert Brout 解决了这一问题，其中Robert Brout 是Englert的同事，已经去世。他们指出场通过与参与弱相互作用的粒子相互作用而赋予它们质量。之所以这样是因为在真空中场不为零。非零基态的存在破坏了被认为是量子场论的一个基本的对称性。早期的工作已经证明这种对称性的破坏会导致存在一种无质量，自旋为零的粒子，但是这与实验不符。Higgs, Englert, 和 Robert Brout 通过真空中的场与弱力场的耦合的办法证明了这种无质量，自旋为零的粒子不存在。当他们完成所有相互作用的计算的时候，他们发现被那个实验上否定了的无质量的，自旋为零的粒子实际上被弱相互作用粒子所吸收。结果这些粒子得到了第三个自旋态，而剩下的唯一的无自旋粒子是有质量的Higgs波色子。同年，第三个理论物理学家团队发现了相似的理论。
后续的工作证明，Brout-Englert-Higgs 机制(简称Higgs机制)不仅能给弱相互作用粒子质量，还能给电子、夸克等其他基本粒子质量。粒子与Higgs场的相互作用越强，质量越大。值得注意的是，多数复合粒子，如质子、核子、原子等，其质量并不是来自Higgs机制，而是来自将那些基本粒子束缚在一起的束缚能。
芝加哥大学的Michael Turner 说：“Brout and Englert and Higgs提出了一个非常聪明的想法，现在以‘Higgs机制’闻名于世。该机制解释了一个人们可以问的最原始的问题：粒子为什么有质量。这个问题简单到许多人都都不曾想过问这样的问题，但是它确实非常有意义的。”CMS实验的新闻发言人Joseph Incandela说：为了证明这一机制，粒子物理学家建造了史上最大，技术含量最高的实验装置，LHC，并发现了Higgs波色子。他说：“我想这回粒子物理学家甩掉了粒子物理是水中捞月的帽子。”
原作者Michael Schirber is a freelance science writer in Lyon, France.
No comments:
Post a Comment