我们对光的质量有了新的上限。

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根据对散布在银河系中的脉冲恒星和来自其他星系的神秘无线电信号的测量,一种被称为光子的光粒子的重量不可能超过9.52 × 10-46千克。

虽然这是一个很小的极限,但发现光有质量,将极大地影响我们对周围宇宙的理解,以及我们对物理学的理解。

光子通常被描述为无质量的粒子。这些离散的能量以恒定的速度穿过时空,在真空中无法加速或减速。这个恒定的速度意味着没有质量,而且没有相反的证据。

然而,我们并不能绝对确定光子是无质量的。

非零质量会产生深远的影响。它将与爱因斯坦的狭义相对论和麦克斯韦的电磁理论相矛盾,可能会导致新的物理学,并可能回答一些关于宇宙的重大问题(尽管在这个过程中会提出更多的问题)。

如果光子确实有质量,那么它必须非常小,才不会对宇宙的出现产生重大影响,这意味着我们没有直接测量它的工具。

但是,我们可以通过间接测量来得到这个假设质量的上限,这正是一组天文学家所做的。

来自四川理工大学、中国科学院和南京大学的一个团队,分析了帕克斯脉冲星定时阵列收集的数据和来自多个来源的快速射电暴数据,以确定光的质量可能有多大。

脉冲星定时阵列是一组射电望远镜天线,用于监测中子星,中子星在极其精确的毫秒脉冲星上发出脉冲电磁辐射束。快速射电暴是在浩瀚的星系间空间中探测到的来源未知的极其强大的光爆发。

研究人员检查的特性被称为色散测量,这是脉冲星和快速射电暴的关键属性之一。它指的是我们和光源之间的自由电子散射了多少紧密脉冲的射电光束。

如果光子有质量,它们在等离子体填充的非真空空间中的传播,将受到等离子体质量和自由电子的影响。这将导致与光子质量成正比的延迟时间。

脉冲星定时阵列寻找脉冲星脉冲相对于彼此的定时延迟。特别是在超宽带宽内,色散效应可以被最小化,这使得研究人员可以计算出假设的光子质量可以贡献多少延迟。

同时,对来自快速射电暴的信号进行去色散,也能揭示出与光子质量成正比的延迟。

通过仔细研究这些数据,该团队能够得出9.52 × 10-46千克的上限(或者,在等效能量中,5.34 × 10-10电子伏特c-2)。注意,这并不意味着光子有质量;它只是意味着我们有了一个新的边界,如果它存在,质量可能会下降。

“这是第一次,”作者写道,“当光子在等离子体介质中传播时,非零光子质量和等离子体介质之间的相互作用被考虑和计算。”

这比2023年发表的测量结果低不了多少,但这是一种改进。这意味着科学家们在研究假想光子质量的影响时,有了一个更精确的操作范围。

天文学家说,这项研究还证明了对高精度射电望远镜的需求。我们不太可能在短时间内测量出光子的重量,但持续获得高质量的数据将使我们能够进一步缩小测量范围,并由此对我们周围的宇宙产生潜在影响。

这项研究发表在《天体物理学杂志》上。

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