Όταν το ακούτε για πρώτη φορά, η ιδέα ότι το φως θα μπορούσε να έχει μάζα μπορεί να φαίνεται γελοία, αλλά αν δεν έχει μάζα, γιατί το φως επηρεάζεται από τη βαρύτητα; Πώς μπορεί να λέγεται κάτι χωρίς μάζα να έχει ορμή; Αυτά τα δύο γεγονότα για το φως και τα «σωματίδια του φωτός» που ονομάζονται φωτόνια μπορεί να σας κάνουν να σκεφτείτε δύο φορές. Είναι αλήθεια ότι τα φωτόνια δεν έχουν αδρανειακή μάζα ή σχετικιστική μάζα, αλλά υπάρχουν περισσότερα στην ιστορία παρά απλώς αυτή η βασική απάντηση.
TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)
Τα φωτόνια δεν έχουν αδρανειακή μάζα και σχετικιστική μάζα. Ωστόσο, τα πειράματα έχουν δείξει ότι τα φωτόνια έχουν ορμή. Η ειδική σχετικότητα εξηγεί αυτό το αποτέλεσμα θεωρητικά.
Η βαρύτητα επηρεάζει τα φωτόνια με τρόπο παρόμοιο με το πώς επηρεάζει την ύλη. Η θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα θα το απαγόρευε, αλλά τα πειραματικά αποτελέσματα που το επιβεβαιώνουν προσθέτουν ισχυρή υποστήριξη στη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν.
Τα φωτόνια δεν έχουν αδρανειακή μάζα και καμία σχετικιστική μάζα
Η αδρανειακή μάζα είναι η μάζα όπως ορίζεται από τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα:ένα = φά / Μ. Μπορείτε να το θεωρήσετε ως αντίσταση του αντικειμένου στην επιτάχυνση όταν εφαρμόζεται μια δύναμη. Τα φωτόνια δεν έχουν τέτοια αντίσταση και ταξιδεύουν με την ταχύτερη δυνατή ταχύτητα μέσω του διαστήματος - περίπου 300.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο.
Σύμφωνα με τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, κάθε αντικείμενο με μάζα ανάπαυσης κερδίζει σχετικιστική μάζα καθώς αυξάνεται στην ορμή, και αν κάτι φτάσει στην ταχύτητα του φωτός, θα είχε άπειρο μάζα. Λοιπόν, τα φωτόνια έχουν άπειρη μάζα επειδή ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός; Δεδομένου ότι δεν έρχονται ποτέ να ξεκουραστούν, είναι λογικό ότι δεν θα μπορούσαν να θεωρηθούν ότι έχουν μάζα ανάπαυσης. Χωρίς μάζα ανάπαυσης, δεν μπορεί να αυξηθεί όπως άλλες σχετικιστικές μάζες και γι 'αυτό το φως μπορεί να ταξιδεύει τόσο γρήγορα.
Αυτό παράγει ένα σταθερό σύνολο φυσικών νόμων που συμφωνούν με τα πειράματα, έτσι τα φωτόνια δεν έχουν σχετικιστική μάζα και αδρανειακή μάζα.
Τα φωτόνια έχουν ορμή
Η εξίσωσηΠ = mvορίζει την κλασική ορμή, όπουΠείναι ορμή,Μείναι μάζα καιβείναι ταχύτητα. Αυτό οδηγεί στην υπόθεση ότι τα φωτόνια δεν μπορούν να έχουν ορμή επειδή δεν έχουν μάζα. Ωστόσο, αποτελέσματα όπως τα διάσημα πειράματα Compton Scattering δείχνουν ότι έχουν ορμή, τόσο συγκεχυμένη όσο φαίνεται. Εάν πυροβολήσετε φωτόνια σε ένα ηλεκτρόνιο, διασκορπίζονται από τα ηλεκτρόνια και χάνουν ενέργεια κατά τρόπο συνεπή με τη διατήρηση της ορμής. Αυτό ήταν ένα από τα βασικά στοιχεία που οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν για να διευθετήσουν τη διαφωνία ως προς το αν το φως συμπεριφερόταν σαν σωματίδιο καθώς και μερικές φορές ένα κύμα.
Η γενική ενεργειακή έκφραση του Αϊνστάιν προσφέρει μια θεωρητική εξήγηση του γιατί ισχύει αυτό:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m_ {υπόλοιπο} ^ 2c ^ 2
Σε αυτήν την εξίσωση,ντοαντιπροσωπεύει την ταχύτητα του φωτός καιΜυπόλοιπο είναι η υπόλοιπη μάζα. Ωστόσο, τα φωτόνια δεν έχουν μάζα ανάπαυσης. Αυτό ξαναγράφει την εξίσωση ως:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2
Ή, πιο απλά:
p = \ frac {E} {γ}
Αυτό δείχνει ότι τα φωτόνια υψηλότερης ενέργειας έχουν περισσότερη ορμή, όπως θα περίμενε κανείς.
Το φως επηρεάζεται από τη βαρύτητα
Η βαρύτητα αλλάζει την πορεία του φωτός με τον ίδιο τρόπο που αλλάζει την πορεία της συνηθισμένης ύλης. Στη θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα, η δύναμη επηρέασε μόνο τα πράγματα με αδρανειακή μάζα, αλλά η γενική σχετικότητα είναι διαφορετική. Ύστερα στρεβλώνει τον χωροχρόνο, που σημαίνει ότι τα πράγματα που ταξιδεύουν σε ευθείες γραμμές ακολουθούν διαφορετικά μονοπάτια παρουσία καμπύλου χωροχρόνου. Αυτό επηρεάζει την ύλη, αλλά επηρεάζει επίσης τα φωτόνια. Όταν οι επιστήμονες παρατήρησαν αυτό το αποτέλεσμα, έγινε βασικό στοιχείο της απόδειξης ότι η θεωρία του Αϊνστάιν ήταν σωστή.