在日常生活中，我們每時每刻都沐浴在光的海洋裡，即便是視力受損的人也能感受到陽光的溫暖和照耀。
但是，很少有人會去深究光子的質量問題，似乎這只是物理學者的專業領域。
物理學中的一項關鍵原理是建立在一個基本假設之上，那就是“光子在靜止狀態下是無質量的”。
高中物理教科書通常會向學子們傳達一個觀念：光子是一種無重量的粒子。實際上，在物理學領域，關於光子質量的討論是基於“光子在停止運動時無質量”這一前提。由於光子永遠處於運動狀態，其運動速度在真空環境下可達每秒299,792公里，即大約每秒30萬公里。在運動中，光子具有質量、動量與能量。
那麼，光子是否存在靜止狀態？根據現行理論，答案應該是否定的。一旦光子形成，它便會以光速或接近光速的速度持續移動，直至消失。
既然光子一直處於運動狀態，無法靜止，為何我們還要關注光子的靜止質量？難道光子真的有靜止質量嗎？若光子的靜止質量不為0，這將意味著什麼？物理學者們有必要為這個問題感到焦慮嗎？這些問題正是我們接下來要探討的焦點。
測量光子的質量
光子的質量引起我們注意，最初源於2003年中科院院士羅俊帶領華中科技大學引力實驗中心的研究成果。他們透過動態扭秤調製實驗，首次成功地測量了光子的相對靜止質量，將光子靜止質量的上限定在1.2×10的負51次方克。在2006年，羅院士與塗良成團隊利用升級版的動態扭秤調製實驗裝置再次進行測量，將光子靜止質量的上限提升至1.5×10的負52次方克。這一成果被國際基本粒子物理資料組（PDG）採納，成為電磁學與量子力學研究的重要依據。
如前文所述，光子是始終處於移動中的，我們不可能從空中捕獲一個光子放到天平上進行稱重，目前也沒有任何天平能夠測量如此微小的質量。科學家是如何實現這一壯舉的呢？
羅俊團隊設計了一個極其精密的動態扭秤，如下圖所示：
為避免干擾，這臺裝置被置於大山深處的地下洞穴中，並實施了多重減震和電磁遮蔽措施；裝置內部被抽空至2×10的負5次方Pa的極高真空度以避免空氣粒子的干擾；所使用的扭絲為一根直徑僅25微米、長90釐米的塗釷鎢絲，其轉動慣量誤差控制在3ppm以內。在這樣的裝置中，如果光子具有可測的靜止質量，扭秤內的磁場將與宇宙向量勢發生相互作用，產生力矩使扭秤偏轉，進而透過複雜的計算過程測得光子的靜止質量。其工作原理如下圖所示：
羅俊團隊並非第一個嘗試測量光子靜止質量的科學家。在過去的一百年裡，國際物理學界透過各種直接和間接的實驗方法，試圖探尋光子靜止質量的下限，或是逼近“能量時間不確定原理”（海森堡測不準原理）所設定的約10負66次方克的最低可探測極限。
為什麼要測量光子的質量？
19世紀最偉大的物理學成就之一莫過於麥克斯韋的電磁場理論，這一理論為現代電磁物理學奠定了堅實基礎。在麥克斯韋方程組中，光在真空中的速度c是一個恆定常數，無論何種頻率和波長的電磁波，其速度都是不變的。同樣，愛因斯坦在20世紀提出的狹義相對論中，也將光在真空中的速度c作為常數。
這表明光子的靜止質量必須嚴格為0。如果光子擁有靜止質量，哪怕是極小的質量，它在不同波長和頻率下的速度也將不同，真空中光速c的常量也就不存在了。
然而，光子作為基本粒子，物理學界已經確認了它和其他基本粒子具有波粒二象性，作為物質的粒子必然具有質量與能量這兩個基本屬性，無論其質量多麼微小。
為了探尋科學真理，物理學家們必須透過科學手段證明光子是否有非零的靜止質量。包括上文中所提到的實驗，儘管它們在精確度上不斷提高，但仍只能提供越來越接近0的上限值。到目前為止，沒有人能給出一個下限數值，證明光子的靜止質量確實不為0。
如果光子的靜止質量不為0，將引發一系列後果。
狹義相對論可能被推翻
愛因斯坦的狹義相對論不僅確定了真空中光速的唯一性，還規定了光子的靜止質量必須為0。根據狹義相對論中的物體運動質量公式：
當物體的運動速度v等於光速c時，公式中的分母為0，這要求物體的靜止質量m0必須為0，哪怕只比0稍大，其動質量m將變得無限大。或者，光子的速度永遠無法達到光速c，這又與真空中光速不變的原則相悖。
值得注意的是，愛因斯坦在廣義相對論中允許光子具有相對靜止質量。
麥克斯韋經典電磁理論需要修正
如前文所述，麥克斯韋電磁理論建立在光子靜止質量嚴格為0的假設之上。如果光子的質量不為0，即便只比0略高，麥克斯韋方程的基礎就不復存在，需要對其進行修正。
按照Proca方程組，重電磁場理論中的公式為：
只有當光子相對靜止質量為0，它才會轉化成麥克斯韋方程組。因此，透過檢驗各種電磁現象，測量光子的靜止質量是否為0，可以間接驗證麥克斯韋方程組的準確性，並判斷真空中光速是否唯一。
其他重大影響
如果光子的最小靜止質量被證實，除了動搖狹義相對論、麥克斯韋電磁理論等物理學基礎理論，它還將帶來以下重大影響：
破壞電動力學的規範不變性，使電動力學的基本性質失去依據；
黑體輻射公式需要修改；
電荷不再守恆；
光子偏振態不再是2，還需增加一個向前方向的“縱光子”，儘管其能級極小，目前尚無法探測；
光在真空中因速度不同會產生色散（事實上科學家已發現遙遠星球的色散現象，但不確定是否由光子質量引起）；
電磁力不再是長程力，平方反比律將出現偏差；
廣義相對論是正確的，但狹義相對論是否正確成為一個問題。
此外，例如磁單極子和帶電黑洞的存在等，所有與光子靜止質量和光速恆定規則相關的理論、結論和推理都需要重新討論。
總結：
儘管光子是否具有相對靜止質量、光速是否唯一，對我們普通人來說影響甚微，但它對物理科學的影響將是革命性的。
目前的研究結果不斷重新整理著光子靜止質量的最低上限，但這並不意味著光子擁有非0質量已被證實。
科學家們仍在不懈追求光子靜止質量的最小下限，他們的目標並不是破壞現代物理學體系，而是對光速不變性原理和經典電磁理論規範不變性的一次科學檢驗。
無論“光子靜止質量不為0”這一結論是否成立，現代物理學理論都將不斷完善，科學探索也將繼續前行。
