Cuando lo escuchas por primera vez, la idea de que la luz pueda tener masa puede parecer ridícula, pero si no tiene masa, ¿por qué la luz se ve afectada por la gravedad? ¿Cómo se puede decir que algo sin masa tiene impulso? Estos dos hechos sobre la luz y las “partículas de luz” llamadas fotones pueden hacerte pensar dos veces. Es cierto que los fotones no tienen masa inercial o masa relativista, pero hay más en la historia que solo esa respuesta básica.
TL; DR (demasiado largo; No leí)
Los fotones no tienen masa inercial ni masa relativista. Sin embargo, los experimentos han demostrado que los fotones tienen impulso. La relatividad especial explica teóricamente este efecto.
La gravedad afecta a los fotones de manera similar a como afecta a la materia. La teoría de la gravedad de Newton prohibiría esto, pero los resultados experimentales que lo confirman añaden un fuerte apoyo a la teoría de la relatividad general de Einstein.
Los fotones no tienen masa inercial ni masa relativista
La masa inercial es la masa definida por la segunda ley de Newton:
a = F / metro. Puede pensar en esto como la resistencia del objeto a la aceleración cuando se aplica una fuerza. Los fotones no tienen tal resistencia y viajan a la mayor velocidad posible a través del espacio, unos 300.000 kilómetros por segundo.Según la teoría de la relatividad especial de Einstein, cualquier objeto con masa en reposo gana masa relativista a medida que aumenta el impulso, y si algo alcanzara la velocidad de la luz, tendría infinitas masa. Entonces, ¿los fotones tienen masa infinita porque viajan a la velocidad de la luz? Dado que nunca descansan, tiene sentido que no se pueda considerar que tengan masa de descanso. Sin una masa en reposo, no se puede incrementar como otras masas relativistas, y es por eso que la luz es capaz de viajar tan rápido.
Esto produce un conjunto consistente de leyes físicas que concuerdan con los experimentos, por lo que los fotones no tienen masa relativista ni masa inercial.
Los fotones tienen impulso
La ecuacionpag = mvdefine el impulso clásico, dondepages impulso,metroes masa yves la velocidad. Esto lleva a la suposición de que los fotones no pueden tener impulso porque no tienen masa. Sin embargo, resultados como los famosos experimentos de dispersión de Compton muestran que tienen impulso, por muy confuso que parezca. Si dispara fotones a un electrón, se dispersan de los electrones y pierden energía de una manera consistente con la conservación del momento. Esta fue una de las pruebas clave que los científicos utilizaron para resolver la disputa sobre si la luz se comportaba como una partícula y a veces como una onda.
La expresión energética general de Einstein ofrece una explicación teórica de por qué esto es cierto:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m_ {descanso} ^ 2c ^ 2
En esta ecuación,Crepresenta la velocidad de la luz ymetrodescansar es la masa en reposo. Sin embargo, los fotones no tienen masa en reposo. Esto reescribe la ecuación como:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2
O, más simplemente:
p = \ frac {E} {c}
Esto muestra que los fotones de mayor energía tienen más impulso, como era de esperar.
La luz se ve afectada por la gravedad
La gravedad altera el curso de la luz de la misma manera que altera el curso de la materia ordinaria. En la teoría de la gravedad de Newton, la fuerza solo afectaba a las cosas con masa inercial, pero la relatividad general es diferente. La materia deforma el espacio-tiempo, lo que significa que las cosas que viajan en línea recta toman diferentes caminos en presencia de un espacio-tiempo curvo. Esto afecta a la materia, pero también a los fotones. Cuando los científicos observaron este efecto, se convirtió en una prueba clave de que la teoría de Einstein era correcta.