Wenn Sie es zum ersten Mal hören, mag die Vorstellung, dass Licht eine Masse haben könnte, lächerlich erscheinen, aber wenn es keine Masse hat, warum wird Licht dann von der Schwerkraft beeinflusst? Wie könnte man sagen, dass etwas ohne Masse einen Schwung hat? Diese beiden Fakten über Licht und die „Lichtteilchen“, die Photonen genannt werden, könnten Sie zum Nachdenken anregen. Es stimmt, dass Photonen keine Trägheitsmasse oder relativistische Masse haben, aber hinter der Geschichte steckt mehr als nur diese grundlegende Antwort.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Photonen haben keine träge Masse und keine relativistische Masse. Experimente haben jedoch gezeigt, dass Photonen Impuls haben. Die spezielle Relativitätstheorie erklärt diesen Effekt theoretisch.
Die Schwerkraft beeinflusst Photonen in ähnlicher Weise wie Materie. Newtons Gravitationstheorie würde dies verbieten, aber experimentelle Ergebnisse, die dies bestätigen, stützen Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie stark.
Photonen haben keine träge Masse und keine relativistische Masseistic
Die träge Masse ist die Masse nach dem zweiten Newtonschen Gesetz:ein = F / ich. Sie können sich dies als den Widerstand des Objekts gegen Beschleunigung vorstellen, wenn eine Kraft ausgeübt wird. Photonen haben keinen solchen Widerstand und reisen mit der schnellstmöglichen Geschwindigkeit durch den Weltraum – etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde.
Nach Einsteins spezieller Relativitätstheorie gewinnt jedes Objekt mit Ruhemasse relativistische Masse mit zunehmendem Impuls, und wenn etwas Lichtgeschwindigkeit erreichen würde, hätte es unendlich Masse. Haben Photonen also unendliche Masse, weil sie sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen? Da sie nie zur Ruhe kommen, ist es sinnvoll, dass sie nicht als Ruhemasse angesehen werden können. Ohne Ruhemasse kann sie nicht wie andere relativistische Massen erhöht werden, und deshalb ist Licht in der Lage, sich so schnell fortzubewegen.
Dies führt zu einem konsistenten Satz physikalischer Gesetze, die mit Experimenten übereinstimmen, sodass Photonen keine relativistische Masse und keine Trägheitsmasse haben.
Photonen haben Schwung
Die gleichungp = mvdefiniert den klassischen Impuls, wobeipist Schwung,ichist Masse undvist Geschwindigkeit. Dies führt zu der Annahme, dass Photonen keinen Impuls haben können, weil sie keine Masse haben. Ergebnisse wie die berühmten Compton-Scattering-Experimente zeigen jedoch, dass sie eine Dynamik haben, so verwirrend das auch erscheinen mag. Wenn man Photonen auf ein Elektron schießt, streuen sie an den Elektronen und verlieren Energie entsprechend der Impulserhaltung. Dies war einer der wichtigsten Beweise, die Wissenschaftler verwendeten, um den Streit darüber beizulegen, ob sich Licht manchmal sowohl wie ein Teilchen als auch wie eine Welle verhielt.
Einsteins allgemeiner Energieausdruck bietet eine theoretische Erklärung dafür, warum dies wahr ist:
E^2=p^2c^2+m_{Ruhe}^2c^2
In dieser Gleichung istcrepräsentiert die Lichtgeschwindigkeit undichsich ausruhen ist die Ruhemasse. Photonen haben jedoch keine Ruhemasse. Dies schreibt die Gleichung um als:
E^2=p^2c^2
Oder einfacher:
p=\frac{E}{c}
Dies zeigt, dass energiereichere Photonen mehr Impuls haben, als Sie erwarten würden.
Licht wird von der Schwerkraft beeinflusst
Die Schwerkraft verändert den Lauf des Lichts auf die gleiche Weise, wie sie den Lauf der gewöhnlichen Materie verändert. In Newtons Gravitationstheorie wirkte sich die Kraft nur auf Dinge mit träger Masse aus, aber die allgemeine Relativitätstheorie ist anders. Materie verzerrt die Raumzeit, was bedeutet, dass Dinge, die sich in geraden Linien bewegen, in Gegenwart einer gekrümmten Raumzeit unterschiedliche Wege nehmen. Dies betrifft Materie, aber auch Photonen. Als Wissenschaftler diesen Effekt beobachteten, wurde er zu einem wichtigen Beweis dafür, dass Einsteins Theorie richtig war.
