物体达到光速,既然光达到了光速,是不是意味着光的质量无穷大?为什么? <#21---->


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根据爱因斯坦的相对论,达到光速的物体质量无穷大,那么光本身质量无穷大吗?

当然不是,光子没有静质量(静质量为0),所以,光子可以以光速运动,而不必像其它物质一样,一旦速度达到光速,质量就会变大无穷大。

根据质能定律:E=mc2;另一方面,光子又是一种电磁波,其能量还可以表述为:E=hv。从而得出m=hv/c2,这里的质量为光子的相对论质量。其它物质的相对论质量计算公式如下:

其中,M是相对论质量,m是静止质量。在低速时,由于1-(v/c)2无限趋近于1,因此相对论治疗M等于物质的静质量m,但是,如果在高速运动时,1-(v/c)2就会远远小于1,从而导致相对论质量M增大。并且,速度约接近光速,相对论质量M越大,特别是无限接近光速时,相对论质量M也变得无穷大了。

这个公式并不适用于光子,因为光子静质量为0,而式子中分母也为0,所以此式子无意义,不会导出光子质量无穷大的悖论。



不过,学过极限的人都知道,如果静质量m也无穷小,即便1-(v/c)2也无穷小,此式子仍然有意义,并且如果它们同阶的话,其比值将是一个常数。所以,有科学家提出,光子的静质量可能并不为0,而是一个非常非常小的值,这样,按照上述公式计算出来的相对论质量也不会无穷大,而是有一个界限。



甚至有学者测出光子的静质量上限为:1.5×10-55kg。即便是电子(其质量为:9.1×10-31kg),由于质量很小,达到十分接近光速时,其质量也不会变的很大。比如按照上面的公式计算,即便电子速度达到光速的0.999999999倍,其质量也不过是2×10-26kg,仍然小的可以忽略不计。所以,如果光子静质量真的很小,或许并不违反相对论质量公式。



当然了,主流科学界还是普遍接受光子静质量严格为0的说法。因为如果不为0,库仑定律、麦克斯韦方程组和电磁场的拉格朗日量都会出现问题。但是,毕竟光子静质量为0一直只是一个假设,要想证明光子静质量严格为0,还需要我们继续努力。

答:光子的静止质量为零,且不存在加速过程,所以光速运行的光子,质量不是无穷大。

量子力学描述,光子一经产生,就以光速运行,期间不存在加速过程;而且光子的静止质量为零,所以达到光速运行的光子,不会产生发散的相对论质量。


从质能转化的层面看,相对论指出质量和能量是同一属性的两面,就如量子同时具有波动性和粒子性一样,我们可以根据物质的相对论质量去求能量,也可以根据物质的能量来求等效相对论质量。

而光子的情况,因为静止质量为零,就只能根据光子的能量来求相对论质量;光子的能量由量子力学描述,并与光子的频率成正比,公式E=hv。



然后,我们再利用质能方程,就可以求光子的相对论质量:

m=E/c^2=hv/c^2;

其中,h为普朗克常数6.626×10^-34J·s,c为真空中的光速299792458m/s,v为光子频率。


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