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光子理論認為光子具有速度、能量和質量,也能產生正負電子對,但又認為光子不能靜止(圖一)和“靜止質量”為“0”;還有科學家認為“我們宇宙所有物質的質量都是透過能量轉換過來的(圖二)”,那麼,光子是如何在有質量的“光速”狀態下,突然轉換成速度遠低於“光速”的正負電子對的呢?也就是光子如何實現速度和質量“同時”降到“0”的。
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  • 1 # 科學聯盟

    單個光子不能變為電子。這一點高中物理都可以證明(小編不去證明了,一般都是習題之類,從高中做到大學,不想在這裡再做一次)。只有兩個光子才能變為正負電子。這是因為光子和電子都具有量子效應。按照量子場論的觀點,粒子對可以自發產生,也可以自發湮滅。但是粒子對如何湮滅湮滅產物是什麼,需要研究場的相互作用。光子湮滅的機制是電磁場和電子場耦合的結果。這一點需要學習量子電動力學才能有深刻理解。

    在正式介紹量子電動力學之前,小編先糾正題主的2個錯誤。題主說光子沒有靜止質量,這沒錯,但是電子有靜止質量,尤其是低能電子其靜止質量根本不能忽略,所以題主說錯了。另外,光子對湮滅出來的電子對不一定是低速的,可能是高能電子對,所以題主的說電子速度為0,是不正確的。

    量子電動力學(QED,quantum electrodynamics)基於電動力學和量子理論而構建起來的,其出發點是拉格朗日密度函式。對於純的電磁場,拉格朗日密度為

    其中Fuv是電磁場張量,下面A(省略了指標u)是電磁場4-矢勢。這裡很明顯沒有質量因子,所以電磁場對應的粒子——光子沒有靜止質量(量子場論不引入動質量,所以一般叫光子質量為0)。

    對於電子,一般認為它服從狄拉克方程,所以拉格朗日密度為

    這裡的m是電子的靜止質量(一般就叫電子質量)。這一點可以很清楚地否定了題主的說法。

    那麼完整的QED的拉格朗日密度為

    現在我們考慮從量子電動力學來研究光子+光子—>電子+電子的過程。這一過程可以用費曼圖表示

    圖中兩個光子入射,交換一個電子傳播子,然後出射兩個電子。注意,這是樹圖級別的近似。電子線的箭頭規定負電子順著出射方向,正電子逆著出射方向。這張圖在一定程度上反映了光子對湮滅為電子的過程,但是問題在於引入了一個電子傳播子,電子傳播子並不是可測的粒子,所以量子場論曾被蘇聯物理學家批判為“以太理論”。但就目前來看,量子場論是解決粒子湮滅的最好工具。具體計算涉及量子場論的基本知識,這裡不便於展開說,但是有一個結論要記住,那就是光子和電子之間透過交換電子傳播子而發生相互作用,光子和光子之間透過交換電子傳播子而發生相互作用的,而電子和電子之間是透過交換光子傳播子而發生相互作用的。

    這裡也可以證明,出射電子的速度可以大於0,甚至接近光速!證明如下

    這兩個方程左邊的量都是已知,右邊的除了電子速度未知,其他已知。不妨假設光子是反平行入射,而且光子頻率一致,所以有第二個方程知道,正反電子的動量是大小相等,方向相反。結合第一個方程就能解出電子速度大小,這裡要求光子的能量必須大於等於電子的靜止能量。

    這個結論反映,電子的速度可以為0,也可以接近光速(當電子靜止能量遠遠小於光子能量,一般是γ射線)。

    最後,真空的光子是以光速運動,但是介質裡的光子可以低於光速運動。前些年,科學家已經做到用介質讓光子速度達到7m/s。

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