Les photons ont-ils une masse ?

Lorsque vous l'entendez pour la première fois, l'idée que la lumière puisse avoir une masse peut sembler ridicule, mais si elle n'a pas de masse, pourquoi la lumière est-elle affectée par la gravité? Comment peut-on dire que quelque chose sans masse a de l'élan? Ces deux faits sur la lumière et les « particules de lumière » appelées photons pourraient vous faire réfléchir à deux fois. Il est vrai que les photons n'ont pas de masse inertielle ou de masse relativiste, mais l'histoire ne se limite pas à cette réponse de base.

TL; DR (trop long; n'a pas lu)

Les photons n'ont ni masse inertielle ni masse relativiste. Des expériences ont démontré que les photons ont une quantité de mouvement, cependant. La relativité restreinte explique théoriquement cet effet.

La gravité affecte les photons d'une manière similaire à la façon dont elle affecte la matière. La théorie de la gravité de Newton l'interdirait, mais les résultats expérimentaux le confirmant ajoutent un solide soutien à la théorie de la relativité générale d'Einstein.

La masse inertielle est la masse telle que définie par la deuxième loi de Newton :une​ = ​F​ / ​m. Vous pouvez considérer cela comme la résistance de l'objet à l'accélération lorsqu'une force est appliquée. Les photons n'ont pas une telle résistance et voyagent à la vitesse la plus rapide possible dans l'espace – environ 300 000 kilomètres par seconde.

Selon la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, tout objet ayant une masse au repos gagne une masse relativiste à mesure qu'il augmente en quantité de mouvement, et si quelque chose devait atteindre la vitesse de la lumière, il aurait une infinité Masse. Alors, les photons ont-ils une masse infinie parce qu'ils voyagent à la vitesse de la lumière? Puisqu'ils ne s'arrêtent jamais, il est logique qu'ils ne puissent pas être considérés comme ayant une masse de repos. Sans masse au repos, elle ne peut pas être augmentée comme les autres masses relativistes, et c'est pourquoi la lumière est capable de voyager si vite.

Cela produit un ensemble cohérent de lois physiques qui concordent avec les expériences, de sorte que les photons n'ont pas de masse relativiste ni de masse inertielle.

L'équationp​ = ​mvdéfinit la quantité de mouvement classique, oùpest l'élan,mest la masse etvest la vitesse. Cela conduit à supposer que les photons ne peuvent pas avoir d'élan parce qu'ils n'ont pas de masse. Cependant, des résultats tels que les célèbres expériences de diffusion Compton montrent qu'ils ont un élan, aussi déroutant que cela puisse paraître. Si vous projetez des photons sur un électron, ils se dispersent des électrons et perdent de l'énergie d'une manière compatible avec la conservation de la quantité de mouvement. C'était l'une des preuves clés utilisées par les scientifiques pour régler le différend quant à savoir si la lumière se comportait parfois comme une particule ainsi qu'une onde.

L'expression générale de l'énergie d'Einstein offre une explication théorique de la raison :

Dans cette équation,creprésente la vitesse de la lumière etm​_{du repos} est la masse au repos. Cependant, les photons n'ont pas de masse au repos. Cela réécrit l'équation comme:

Ou, plus simplement :

Cela montre que les photons de plus haute énergie ont plus de quantité de mouvement, comme on peut s'y attendre.

La gravité modifie le cours de la lumière de la même manière qu'elle modifie le cours de la matière ordinaire. Dans la théorie de la gravité de Newton, la force n'affectait que les choses avec une masse inertielle, mais la relativité générale est différente. La matière déforme l'espace-temps, ce qui signifie que les choses qui se déplacent en ligne droite empruntent des chemins différents en présence d'un espace-temps courbe. Cela affecte la matière, mais cela affecte aussi les photons. Lorsque les scientifiques ont observé cet effet, cela est devenu une preuve clé que la théorie d'Einstein était correcte.