，根据最小作用量原理，粒子的真实路径便是使作用量 s 取极值的路径，

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这就是哈密顿原理的经典表述。哈密顿原理适用于相对论性和非相对论性的有质量的粒子； 然而，光子却是一个相对论性的零质量基本粒子。将量子电动力学应用于哈密顿原理，可以 严格处理光子的传播等问题，然而其数学形式非常抽象深奥和繁复，超越了本课题的范畴， 同时也无助于我们直观理解光的直线传播律。跨过抽象的哈密顿原理，我们面临的问题是： 如何再次确定光的运动路径？光子的质量为零意味着什么？什么是质量以及质量的起源是什 么？

二十世纪初发展的量子力学告诉我们，光由光子组成，光子是一种质量为零的玻色子， 同时具有粒子性与波动性，称为波粒二象性。爱因斯坦最早提出了光子的概念，并用它成功 地解释了光电效应；其后德布罗意进一步声明普通粒子也同样具有波粒二象性。现代实验研 究和理论分析认为，光子的本质是真空能振动产生的一种波动，带有 hν 的能量和 ħ 的自旋[3]。 光子没有静止质量，永远保持光速运动；光子行进时，有理论认为可看作是一种横向直径大 约为 0。67λ 和纵向长度约 100000λ 的近似圆柱形的波包。

基于光的粒子性，利用量子力学的路径积分法可以定性地解释光的直线传播定律。路径 积分法最早由狄拉克于 1933 年在一篇“量子力学的拉格朗日函数”的文章中提出，之后由 费曼完善发展。通过路径积分法对光传播路径的叠加和分析，得到的结论是光趋向于沿一条 直线行进（实际占用直线周围的很小的空间），光的直线传播律其实是对光的传播路径的一种 近似描述。

光子的直线传播律同样也源自光子的零质量。物质质量的起源，即基本粒子的质量，来 自于标准模型中的希格斯机制，它在二十世纪 60 年代早期被提出,为杨-米尔斯机制引入了质 量。希格斯机制的基本理论是空间中，即使是完全真空，也充满了某种物理场（希格斯场）； 这种场没有方向性，当其能量处于最低态时, 场值并非为零而是一个非零值。粒子之所以具 有质量,是因为它们与希格斯场相互作用,粒子的质量取决于它们跟希格斯场的作用强度。光 子是电磁场作用的媒介，和希格斯场没有相互作用，从而没有质量。2015 年欧洲大型强子对 撞机的实验结果探测和验证了希格斯子的存在[10]，证实了希格斯场理论，从而也验证了标准 模型的正确性。由于希格斯场的存在，对于一个有质量基本粒子的传播，粒子和希格斯场相 互作用，行进过程呈现为“之”字型路线，“之”字的折曲和收缩程度与其质量相关；对于光 子这样的零质量粒子，唯一有意义的路线只能是直线，从而解释了光的直线传播律。

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1。3 研究的内容及目的

“光沿直线传播”看似是一个基本常识，却是一个有着深刻物理内涵的问题，深入探讨 其本质因素，对光学的理解和发展具有重要的意义。为了解释光的直线传播律，我们将问题 分为“最小作用量原理”、“光子的本质和尺寸”、“量子力学的路径积分”、“质量的起源：希 格斯场理论”等几个方面逐步深入分析，经过深入的思考后，得到我们目前知识所能达到的 最本源的结论。

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2 最小作用量原理