光子静止质量的实验检验

论文摘要

麦克斯韦经典电磁理论的形成促进了二十世纪物理学的伟大发展,在此基础上发展起来的狭义相对论、量子力学以及量子电动力学构成了现代物理学的基本框架。麦克斯韦电磁理论的一个重要贡献在于它将真空中的电磁场与光联系起来,并将电磁场的传播速度定义为真空的属性,即恒定的光速c,因而建立了电磁波与光之间的本质联系。恒定光速暗含了传播电磁波的媒介——光子的静止质量必须为零的假设,而光子静止质量是否为零也就成为物理学家们一直希望能够正面回答的基本问题之一。至今为止,所有检验光子静止质量的实验都只是给出光子静止质量的上限。对光子静止质量的实验检验,也是对光速不变性原理的一种检验,一旦实验证实光子具有静止质量,即使非常微小,整个物理学的框架将会发生革命性的变化。我们实验室于2000年开始进行光子静止质量的实验检验,并提出了扭秤调制法检验光子静止质量的实验方案。在全面调研历史上关于光子静止质量的各种实验检验和理论分析方法以及与光子静止质量相关理论的基础上,经过两年多的准备,作者于2002年首次采用精密扭秤调制法完成了光子静止质量的实验检验,数据分析结果给出光子静止质量的上限为1.2×10-51克。该数值将国际上扭秤静态实验结果提高了约20倍,同时调制的实验方法有效地克服了扭秤静态实验中实验结果对宇宙磁场矢势与地球自转轴之间夹角的依赖关系,而且大大抑制了各种周日背景干扰的影响,提高实验的置信水平,该实验结果于2004年被国际粒子物理数据组收录。此后,针对2002年调制实验中存在的问题,作者重新设计了新的实验方案和高真空调制实验平台,并于2005年完成了改进的扭秤调制实验。新的实验中进一步克服了2002年实验中背景引力梯度的影响,并进行了温度、回转周期稳定性等同步检测和磁场影响的调制实验,以及数据处理方法的研究,进一步提高了实验的置信水平。改进的实验结果给出光子静止质量的上限为1.5×10-52克,将2002年的实验结果进一步提高了近一个数量级。本研究工作先后得到国家自然科学基金面上项目（批准号:10075021）,国家自然科学基金创新研究群体（批准号:10121503）和国家重点基础研究发展计划（批准号:2003CB716300）的资助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 光子及其零静止质量假设
• 1.3 实验检验光子静止质量的意义
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 2 光子静止质量的理论基础与实验检验概况
• 2.1 U（1）规范不变性概述
• 2.2 Proca重电磁场理论
• 2.3 非零光子静止质量的物理效应
• 2.4 光子静止质量实验检验概述
• 2.5 本章小结
• 3 扭秤调制法检验光子静止质量
• 3.1 实验原理
• 3.2 实验设计与实验装置
• 3.3 实验过程
• 3.4 实验结果及分析
• 3.5 本章小结
• 4 改进的扭秤调制法实验
• 4.1 改进的要点概述
• 4.2 改进的扭秤系统设计
• 4.3 改进的真空系统
• 4.4 实验过程
• 4.5 实验结果及误差分析
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 光子静止质量的单位转换关系
• 附录3 2004年PDG收录的光子质量实验结果
• 附录4 The AIP Bulletin of Physics News 报道
• 附录5 Highlights of 2005报道