Kun kuulet sen ensimmäisen kerran, ajatus siitä, että valolla voi olla massa, saattaa tuntua naurettavalta, mutta jos sillä ei ole massaa, miksi painovoima vaikuttaa valoon? Kuinka jollakin ilman massaa voidaan sanoa olevan vauhtia? Nämä kaksi tosiasiaa valosta ja "valopartikkeleista", joita kutsutaan fotoneiksi, saattavat ajattelemaan kahdesti. On totta, että fotoneilla ei ole hitausmassaa tai relativistista massaa, mutta tarinassa on muutakin kuin vain perusvastaus.
TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)
Fotonilla ei ole inertiaalimassaa eikä relativistista massaa. Kokeet ovat osoittaneet, että fotoneilla on kuitenkin vauhtia. Erityinen suhteellisuusteoria selittää tämän vaikutuksen teoreettisesti.
Painovoima vaikuttaa fotoneihin samalla tavalla kuin se vaikuttaa aineeseen. Newtonin painovoimateoria kieltää tämän, mutta sen vahvistavat kokeelliset tulokset lisäävät vahvaa tukea Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian teoriaan.
Fotoneilla ei ole inertiaalista massaa eikä relativistista massaa
Inertiaalimassa on massa sellaisena kuin se määritellään Newtonin toisessa laissa:
Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian mukaan mikä tahansa esine, jolla on lepomassa, saa relativistisen massan kun se kasvaa vauhdissa, ja jos joku saavuttaisi valon nopeuden, sillä olisi ääretön massa. Joten, onko fotoneilla ääretön massa, koska ne kulkevat valon nopeudella? Koska he eivät koskaan tule levätä, on järkevää, ettei heitä voida pitää levämassana. Ilman lepomassaa sitä ei voida lisätä kuten muita relativistisia massoja, ja siksi valo pystyy kulkemaan niin nopeasti.
Tämä tuottaa yhdenmukaisen joukon fyysisiä lakeja, jotka sopivat kokeiden kanssa, joten fotoneilla ei ole relativistista massaa eikä inertia massaa.
Fotoneilla on vauhtia
Yhtälös = mvmäärittelee klassisen vauhdin, missäson vauhtia,mon massa javon nopeus. Tämä johtaa olettamaan, että fotoneilla ei voi olla vauhtia, koska niillä ei ole massaa. Kuitenkin tulokset, kuten kuuluisat Compton-sirontakokeet, osoittavat, että niillä on vauhtia, niin hämmentävää kuin se näyttää. Jos ammutat fotoneja elektronille, ne hajoavat elektronista ja menettävät energiaa tavalla, joka on sopusoinnussa vauhdin säilymisen kanssa. Tämä oli yksi tärkeimmistä todisteista, joita tutkijat käyttivät ratkaisemaan erimielisyyden siitä, käyttäytyikö valo joskus hiukkasten tai aallon tavoin.
Einsteinin yleinen energialauseke tarjoaa teoreettisen selityksen sille, miksi tämä on totta:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m_ {lepo} ^ 2c ^ 2
Tässä yhtälössäcedustaa valon nopeutta jamlevätä on lepomassa. Fotoneilla ei kuitenkaan ole lepomassaa. Tämä kirjoittaa yhtälön uudestaan:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2
Tai yksinkertaisemmin:
p = \ frac {E} {c}
Tämä osoittaa, että korkeamman energian fotoneilla on enemmän vauhtia, kuten voit odottaa.
Painovoima vaikuttaa valoon
Painovoima muuttaa valon kulkua samalla tavalla kuin tavallisen aineen kulku. Newtonin painovoimateoriassa voima vaikutti vain inertiaalimassaan, mutta yleinen suhteellisuusteoria on erilainen. Aine loimii aika-ajan, mikä tarkoittaa, että suorilla linjoilla kulkevat asiat kulkevat eri polkuja kaarevan avaruusajan läsnä ollessa. Tämä vaikuttaa aineeseen, mutta se vaikuttaa myös fotoneihin. Kun tutkijat havaitsivat tämän vaikutuksen, siitä tuli keskeinen todiste siitä, että Einsteinin teoria oli oikea.