Czy fotony mają masę?

Zawartość

• TL; DR (Too Long; Didnt Read)
• Fotony nie mają masy bezwładności ani masy relatywistycznej
• Fotony mają impet
• Światło wpływa na grawitację

Kiedy słyszysz to po raz pierwszy, pomysł, że światło może mieć masę, może wydawać się absurdalny, ale jeśli nie ma masy, dlaczego grawitacja wpływa na światło? Jak można powiedzieć, że coś bez masy ma rozpęd? Te dwa fakty dotyczące światła i „cząsteczek światła” zwanych fotonami mogą sprawić, że pomyślisz dwa razy. Prawdą jest, że fotony nie mają masy bezwładności ani masy relatywistycznej, ale historia ma coś więcej niż tylko tę podstawową odpowiedź.

TL; DR (Too Long; Didnt Read)

Fotony nie mają masy bezwładności ani masy relatywistycznej. Eksperymenty wykazały jednak, że fotony mają pęd. Specjalna teoria względności wyjaśnia ten efekt teoretycznie.

Grawitacja wpływa na fotony w sposób podobny do wpływu na materię. Teoria grawitacji Newtona zabraniałaby tego, ale wyniki eksperymentalne potwierdzające ją silnie wspierają teorię względności Einsteina.

Fotony nie mają masy bezwładności ani masy relatywistycznej

Masa bezwładna to masa zdefiniowana w drugim prawie Newtona: za = fa / m. Możesz myśleć o tym jak o odporności obiektu na przyspieszenie po przyłożeniu siły. Fotony nie mają takiego oporu i podróżują z największą możliwą prędkością w przestrzeni kosmicznej - około 300 000 kilometrów na sekundę.

Zgodnie z teorią szczególnej teorii względności Einsteina, każdy obiekt z masą spoczynkową zyskuje masę relatywistyczną, gdy rośnie w pędu, a gdyby coś osiągnęło prędkość światła, miałoby nieskończoną masę. Czy zatem fotony mają nieskończoną masę, ponieważ podróżują z prędkością światła? Ponieważ nigdy nie odpoczywają, ma sens, że nie można ich uznać za posiadających masę odpoczynku. Bez masy spoczynkowej nie można jej zwiększyć tak, jak innych mas relatywistycznych, i dlatego światło może tak szybko podróżować.

Daje to spójny zestaw praw fizycznych, które są zgodne z eksperymentami, więc fotony nie mają masy relatywistycznej i masy bezwładności.

Fotony mają impet

Równanie p = mv określa pęd klasyczny, gdzie p jest pędem, m jest masą i v jest prędkość. To prowadzi do założenia, że ​​fotony nie mogą mieć pędu, ponieważ nie mają masy. Jednak wyniki, takie jak słynne eksperymenty z rozpraszaniem Comptona, pokazują, że mają one pęd, choć wydaje się to mylące. Jeśli strzelasz do fotonów w elektron, rozpraszają się one z elektronów i tracą energię w sposób zgodny z zachowaniem pędu. Był to jeden z kluczowych dowodów, które naukowcy wykorzystali do rozstrzygnięcia sporu dotyczącego tego, czy światło zachowuje się czasem jak cząstka, czy też fala.

Ogólne wyrażenie energetyczne Einsteina oferuje teoretyczne wyjaśnienie, dlaczego tak jest:

mi² = p²do² + m_odpoczynek²do²

W tym równaniu do reprezentuje prędkość światła i m_odpoczynek jest resztą masy. Jednak fotony nie mają masy spoczynkowej. Przepisuje to równanie jako:

mi² = p²do²

Lub prościej:

p = mi / do

To pokazuje, że fotony o wyższej energii mają większy pęd, jak można się spodziewać.

Światło wpływa na grawitację

Grawitacja zmienia bieg światła w taki sam sposób, jak zmienia zwykłą materię. W teorii grawitacji Newtona siła oddziaływała tylko na przedmioty o masie bezwładnościowej, ale ogólna teoria względności jest inna. Materia wypacza czasoprzestrzeń, co oznacza, że ​​rzeczy podróżujące w linii prostej podążają różnymi ścieżkami w obecności zakrzywionej czasoprzestrzeni. Wpływa to na materię, ale wpływa także na fotony. Kiedy naukowcy zaobserwowali ten efekt, stało się kluczowym dowodem na to, że teoria Einsteina była poprawna.