如果光子有质量，那么整个现代物理学体系将会怎么样？

“质量”这个概念究竟是什么意思？在我们的一般认知里，“质量”是物体所具有的一种物理属性，是物质的量的量度。

其实质量的定义来源于牛顿，在最初，“质量”来自于牛顿力学中的第二定律：∑F=ma（物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同）

这个方程当中，加速度a是有良好定义的时空几何量，牛顿第二定律则同时定义力F和质量m，并给出力和质量的测量方法。这里的质量指的是惯性质量。惯性质量衡量了当物体受力时，它对于改变其运动状态的抵抗程度。

质量的第二个定义则来源于牛顿引力理论，也就是俗称的万有引力定律：F=(G×M×M)/R^2

在这个方程中，质量充当的则是“引力的荷”，类似于电荷在静电理论当中的地位。由于两种质量的物理意义不同，为了区别，这一质量被称作引力质量。引力质量是由一个物体的引力通量(引力通量等于引力场在一个封闭表面的面积分)来决定的。

爱因斯坦提出了著名的等效原理，指出引力质量和惯性质量是等价的。这一性质亦是广义相对论的出发点之一。

那么粒子的质量指的是什么呢？光子如果存在质量又会对现代物理体系产生什么影响呢？

粒子模型与希格斯机制

50年代，杨振宁从弱相互作用和电磁力入手，他们把电磁作用是由定域规范不变性所决定的观念，推广到不可对易的定域对称群。揭示出规范不变性可能是电磁作用和其他作用的共同本质，从而开辟了用规范原理来统一各种相互作用的新途径。由此提出了杨·米尔斯理论，构成了现代规范场理论的基础。

美国科学家格拉肖最早提出用规范场的方法，将电磁作用与弱作用统一到一个数学框架中，1968 年 温伯格、萨拉姆在格拉肖电弱统一模型的基础上建立了电弱统一的完善理论，后来，格拉肖在电弱统一理论的基础上，将量子电动力学、量子色动力学、费米点作用理论结合统一成描述弱、电、强三种相互作用的大一统理论。

人们还将规范场论延展，成功为电磁作用、弱相互作用和强相互作用及组成所有物质的基本粒子提供了一个统一的数学形式化架构——标准模型。这套理论精确地表述了自然界的三种基本力的实验预测，它是一个规范群为SU(3) × SU(2) × U(1)的规范场论。

在标准模型中，粒子如今可以分为组成物质的费米子以及传递力的玻色子。

传递力的（规范)玻色子有四种：传递电磁力的光子、传递引力的引力子、传递核强力的胶子、传递弱力的W 及 Z 玻色子，最后还有一种希格斯玻色子（上帝粒子）。

而费米子是依随费米-狄拉克统计（是统计力学中描述由大量满足泡利不相容原理的费米子组成的系统中粒子分处不同量子态的统计规律）、角动量的自旋量子数为半奇数（1/2，3/2…）的粒子。

费米子遵从泡利不相容原理，即不能两个以上的费米子出现在相同的量子态中。根据标准理论，费米子均是由一批基本费米子构成的，而基本费米子则不可能分解为更细小的粒子。

基本费米子分为2类：夸克和轻子。而这2类基本费米子，又分为合共24种味（属性）：

12种夸克：包括上夸克（u）、下夸克（d）、奇夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）、顶夸克（t），及它们对应的6种反粒子。·
12种轻子：包括电子（e-）、μ子（μ-）、陶子（τ-）、电中微子（νe）、缈中微子（νμ）、陶中微子（ντ），及对应的6种反粒子。

在20世纪60年代理论探索的开始阶段，科学家研究强弱相互作用都会遇到困惑，也就是规范理论的对称性禁止规范波色子有质量，也就是说受到规范对称性，自然界中其他粒子是不能有质量的,而这个规定与现实的数据不符合。在玻色子中，光子和胶子是无质量的，而引力子和W和Z玻色子是有质量的。

光子无质量是因为电磁力能以一个U(1)规范理论解释。但W和Z玻色子的质量，必须存在某些机制必须破坏SU(2)的对称来给予。

那怎样才能使一个无质量的粒子变得有质量呢?人们开始尝试使用对称性自发破缺机制去解释,可是每个自发对称性破缺的证明便伴随着一个无质量无自旋粒子。

直至1964年英国物理学家希格斯(Higgs)和其他物理学家研究发现一种物理机制一希格斯机制。 在希格斯机制中,希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量予以玻色子和费米子。这可以解释为什么有些粒子有质量而有些粒子没有质量。根据希格斯机制，基本粒子与希格斯场相互作用而获得能量，但因此也产生了副产品——希格斯粒子。希格斯粒子是自旋为零的玻色子。因此,希格斯玻色子被认为是物质的质量之源,有“上帝粒子”之称。

简单理解来说，科学家通过实验发现了光子和胶子是无质量的，但是引力子和W和Z玻色子是有质量的，那么肯定就需要有一个理论来解释了，这就是希格斯机制诞生的原因。

基本粒子通过希格斯机制获得了质量，而一部分粒子没有任何影响还是零质量。而玻色子中的光子和胶子就属于没有被赋予质量的。

尽管光子的静质量为0，但是它是有能量的。因为光子是拥有质量和电荷这些标签（属性）的，只是这些属性的数量值为零。

目前主流物理主张，惯性质量的来源是希格斯粒子。希格斯粒子与基本粒子相互作用产生了质量,这个质量也就是我们所讨论的惯性质量。而希格斯粒子却管不了引力质量，希格斯粒子只能解释物质如何获得质量,却不能解释引力是如何吸引物质的,

光子如果有质量，会怎么样？

目前，科学家通过实验发现，光子的静质量为0，但是科学是在不断发展的，实验设备也在不断发展，测量数据也会更加精进，但是在没有其他进一步的实验证据以前，我们认可光子应该为零，而不是一个极小的量。

如果光子存在存在质量，将会对现代物理学体系造成毁灭性影响，从1900年，普朗克提出了量子假说，标志着经典物理学时代落下帷幕，现代物理学时代到来。

而现代物理学三大支柱分别是量子力学、相对论和规范场论。如果光子质量不为零，光速将随波长的改变而变化，并且光波将像声波一样能够产生纵向振动。量子色动力学将不是规范不变的，电荷守恒也无法自动保证，那么以规范场论为基础的标准模型将崩塌。

而光子质量不为零，真空光速将不再是常数。

而爱因斯坦的狭义相对论的基本假设之一是光速不变性,其直接推论就是光子的静止质量必须为零，根据狭义相对论的运动速度与质量之间的关系为m=m0/√1-v^2/c^2，这个公式表明运动物体的质量随其速度的增加而增加，所有速度增加接近于光速物体的质量都趋于无穷大，

但实际得物体不能达到或超过光速.当速度不断趋近于光速时，上式分母也不断趋于0，为使方程有意义分子必须也为零，即静止质量 m0 必须为零。

如果物体具有静止质量即 m0 ≠0，则光子的运动质量 m0/0 将趋于无穷大，因此不可能达到光速。然而光子在真空中（在介质中袁光波的速度要小于光子的速度袁，所以在介质中光的速度显得慢不是由于光子本身的速度变慢了，而是光子在介质的行进过程中不断被介质粒子挽留片刻——被原子吸收一小段时间后又释放出来）的速度是光速说明光子的静止质量必须为零。

可以说，光子如果有质量，科学家花费100多年构建的现代物理学大厦将轰然倒塌。

而这甚至会影响到经典物理学，比如说麦克斯韦方程组，麦克斯韦电磁理论是基于光子静止质量为零的假设,且电磁 相互作用也是通过静止质量为零的光子来传播的。

在过去的一个世纪中，狭义相对论尧麦克斯韦电磁理论及电动力学的诸多实验的取得的巨大成功导致了人们几乎完全接受了光子静止质量为零这个概念，光子质量为零袁虽然在很高精度上与实验结果并不矛盾袁但它仍然只是一项科学假设袁因此科学家们一直十分关注光子是否存在非零静止质量。

所以科学家一直想要知道，如果光子真的有质量，质量上限是多少，中国的罗俊教授设计了一个极其精密的动态扭秤，就是下图的装置：

为避免干扰，这台设备被放进大山深处的地下山洞，同时加上多重减震和电磁屏蔽措施；容器内部被抽成2×10??Pa的高度真空以避免空气粒子的影响；仪器的扭丝是一根直径仅25μm，长度为90cm的涂钍钨丝，它的转动惯量误差小于3ppm。在这样一个仪器里，如果光子存在可测量的静止质量，扭秤内部的磁场将与宇宙矢势发生相互作用，从而产生力矩使扭秤偏转，再通过复杂的计算过程就可以测出光子的静止质量。

经过实验表面，在任何情况下，光子的质量都不会超过10-48千克，这一结果是之前已知的光子质量上限的1/20。

总结：

在目前来说，光子静质量为0仍然是真理，我们构建的现代物理学大厦仍然稳健存在，但是科学最大的魅力，就是向未知探索，解构各种可能性，这也是科学家一直以来想要探寻如果光子真的存在质量，质量上限究竟是多少的原因。正如爱因斯坦所说：

世界的可理解性是它永恒的谜……而人可以理解这个世界是一个奇迹。