عندما تسمعها لأول مرة ، قد تبدو فكرة أن الضوء قد يكون له كتلة سخيفة ، ولكن إذا لم يكن له كتلة ، فلماذا يتأثر الضوء بالجاذبية؟ كيف يمكن أن يقال أن لشيء بدون كتلة زخم؟ هاتان الحقيقتان حول الضوء و "جسيمات الضوء" المسماة الفوتونات قد تجعلك تفكر مرتين. صحيح أن الفوتونات ليس لديها كتلة قصور ذاتية أو كتلة نسبية ، ولكن هناك ما هو أكثر في القصة من مجرد الإجابة الأساسية.
TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)
ليس للفوتونات كتلة قصور ذاتية ولا كتلة نسبية. ومع ذلك ، فقد أثبتت التجارب أن الفوتونات لها زخم. تفسر النسبية الخاصة هذا التأثير نظريًا.
تؤثر الجاذبية على الفوتونات بطريقة مشابهة لتأثيرها على المادة. ستمنع نظرية الجاذبية لنيوتن ذلك ، لكن النتائج التجريبية التي تؤكد ذلك تضيف دعمًا قويًا لنظرية النسبية العامة لأينشتاين.
ليس للفوتونات كتلة بالقصور الذاتي ولا كتلة نسبية
الكتلة بالقصور الذاتي هي الكتلة كما حددها قانون نيوتن الثاني:أ = F / م. يمكنك التفكير في هذا على أنه مقاومة الجسم للتسارع عند تطبيق القوة. لا تتمتع الفوتونات بهذه المقاومة وتنتقل بأسرع سرعة ممكنة عبر الفضاء - حوالي 300000 كيلومتر في الثانية.
وفقًا لنظرية النسبية الخاصة لأينشتاين ، فإن أي جسم به كتلة سكون يكتسب كتلة نسبية كلما زاد الزخم ، وإذا وصل شيء ما إلى سرعة الضوء ، فسيكون لانهائيًا كتلة. إذن ، هل الفوتونات لها كتلة لانهائية لأنها تسافر بسرعة الضوء؟ نظرًا لأنهم لم يأتوا للراحة أبدًا ، فمن المنطقي أنه لا يمكن اعتبارهم مستريحين. بدون كتلة راحة ، لا يمكن زيادتها مثل الكتل النسبية الأخرى ، وهذا هو السبب في أن الضوء قادر على الانتقال بسرعة كبيرة.
ينتج عن هذا مجموعة متسقة من القوانين الفيزيائية التي تتفق مع التجارب ، لذلك ليس للفوتونات كتلة نسبية ولا كتلة بالقصور الذاتي.
الفوتونات لها زخم
المعادلةص = ميحدد الزخم الكلاسيكي ، أينصهو الزخم ،مهو الكتلة والخامسهي السرعة. هذا يؤدي إلى افتراض أن الفوتونات لا يمكن أن يكون لها زخم لأنها لا تملك كتلة. ومع ذلك ، تظهر نتائج مثل تجارب Compton Scattering الشهيرة أن لديهم زخمًا ، كما يبدو محيرًا. إذا أطلقت فوتونات على إلكترون ، فإنها تتشتت من الإلكترونات وتفقد الطاقة بطريقة تتفق مع الحفاظ على الزخم. كان هذا أحد الأدلة الرئيسية التي استخدمها العلماء لتسوية الخلاف حول ما إذا كان الضوء يتصرف كجسيم وكذلك كموجة في بعض الأحيان.
يقدم تعبير الطاقة العام لأينشتاين تفسيرًا نظريًا لسبب صحة ذلك:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m_ {rest} ^ 2c ^ 2
في هذه المعادلة ،جيمثل سرعة الضوء ومراحة هي بقية الكتلة. ومع ذلك ، لا تمتلك الفوتونات كتلة سكونية. هذا يعيد كتابة المعادلة على النحو التالي:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2
أو ببساطة:
p = \ frac {E} {c}
هذا يدل على أن الفوتونات عالية الطاقة لديها زخم أكبر ، كما تتوقع.
الضوء يتأثر بالجاذبية
تغير الجاذبية مسار الضوء بنفس الطريقة التي تغير بها مسار المادة العادية. في نظرية الجاذبية لنيوتن ، أثرت القوة فقط على الأشياء ذات الكتلة القصور الذاتي ، لكن النسبية العامة مختلفة. المادة تلتوي الزمكان ، مما يعني أن الأشياء التي تنتقل في خطوط مستقيمة تأخذ مسارات مختلفة في وجود الزمكان المنحني. هذا يؤثر على المادة ، لكنه يؤثر أيضًا على الفوتونات. عندما لاحظ العلماء هذا التأثير ، أصبح دليلاً أساسياً على صحة نظرية أينشتاين.