Imaju li fotoni masu?

Sadržaj

• TL; DR (Predugo; nisam pročitao)
• Fotoni nemaju nikakvu inercijalnu masu niti relativističku masu
• Fotoni imaju moment
• Svjetlost utječe na gravitaciju

Kad ga prvi put čujete, ideja da bi svjetlost mogla imati masu može izgledati smiješno, ali ako nema masu, zašto na svjetlost utječe gravitacija? Kako bi se moglo reći da nešto bez mase ima zamah? Ove dvije činjenice o svjetlosti i „česticama svjetlosti“ koje se nazivaju fotoni mogu vas natjerati da dvaput razmislite. Istina je da fotoni nemaju inercijalnu masu ili relativističku masu, ali priča ima više od samo osnovnog odgovora.

TL; DR (Predugo; nisam pročitao)

Fotoni nemaju inercijalnu masu i nemaju relativističku masu. Eksperimenti su pokazali da foton ipak ima zamah. Posebna relativnost teorijski objašnjava taj efekt.

Gravitacija utječe na fotone na sličan način na koji utječu na materiju. Newtonova teorija gravitacije to bi zabranila, ali eksperimentalni rezultati koji to potvrđuju dodaju snažnu potporu Einsteinovoj teoriji opće relativnosti.

Fotoni nemaju nikakvu inercijalnu masu niti relativističku masu

Inercijska masa je masa definirana Newtonovim drugim zakonom: = F / m, Možete misliti o tome kao otpornosti objekta na ubrzanje kada se primijeni sila. Fotoni nemaju takav otpor i putuju najbržom mogućom brzinom kroz svemir - oko 300 000 kilometara u sekundi.

Prema Einsteinovoj teoriji posebne relativnosti, svaki objekt s masom mirovanja dobiva relativističku masu kako se povećava u zamahu, a kad bi nešto postiglo brzinu svjetlosti, imao bi beskonačnu masu. Dakle, fotoni imaju beskonačnu masu jer putuju brzinom svjetlosti? Kako se nikada ne odmaraju, ima smisla da se ne može smatrati da imaju masu odmora. Bez mase za odmor, ne može se povećati kao ostale relativističke mase i zato je svjetlost sposobna tako brzo putovati.

To stvara dosljedan skup fizičkih zakona koji se slažu s eksperimentima, tako da fotoni nemaju relativističku masu i ne inercijalnu masu.

Fotoni imaju moment

Jednadžba p = MV definira klasični zamah, gdje p je zamah, m je masa i v je brzina. To dovodi do pretpostavke da fotoni ne mogu imati zamah jer nemaju masu. Međutim, rezultati poput poznatih Compton Scattering eksperimenata pokazuju da i oni imaju zamah, koliko god se to činilo zbunjujuće. Ako fotografirate fotone na jedan elektron, oni se raspršuju od elektrona i gube energiju na način koji je u skladu sa očuvanjem zamaha. Ovo je bio jedan od ključnih dokaza koji su znanstvenici koristili za rješavanje spora oko toga je li se svjetlost ponašala poput čestice, kao i val ponekad.

Einsteinov opći energetski izraz nudi teoretsko objašnjenje zašto je to istina:

E² = p²c² + m_odmor²c²

U ovoj jednadžbi c predstavlja brzinu svjetlosti i m_odmor je ostatak mase. Međutim, fotoni nemaju masu odmora. Ovo prepisuje jednadžbu kao:

E² = p²c²

Ili, jednostavnije:

p = E / c

To pokazuje da fotoni s višom energijom imaju više zamaha, kao što biste očekivali.

Svjetlost utječe na gravitaciju

Gravitacija mijenja tok svjetlosti na isti način na koji mijenja tok obične materije. U Newtonovoj teoriji gravitacije sila je utjecala samo na stvari s inercijalnom masom, ali opća je relativnost drugačija. Materija osvaja prostorno vrijeme, što znači da stvari koje putuju ravnim linijama idu različitim putovima u prisutnosti zakrivljenog prostora. To utječe na materiju, ali utječe i na fotone. Kada su znanstvenici uočili taj učinak, postao je ključni dokaz da je Einsteinova teorija bila ispravna.