क्या फोटॉन का द्रव्यमान होता है?

जब आप पहली बार इसे सुनते हैं, तो यह विचार कि प्रकाश का द्रव्यमान हो सकता है, हास्यास्पद लग सकता है, लेकिन यदि इसका द्रव्यमान नहीं है, तो प्रकाश गुरुत्वाकर्षण से क्यों प्रभावित होता है? द्रव्यमान के बिना किसी चीज को गति कैसे कहा जा सकता है? प्रकाश के बारे में ये दो तथ्य और "प्रकाश के कण" जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, आपको दो बार सोचने पर मजबूर कर सकते हैं। यह सच है कि फोटॉन में जड़त्वीय द्रव्यमान या सापेक्षतावादी द्रव्यमान नहीं होता है, लेकिन कहानी में उस मूल उत्तर के अलावा और भी बहुत कुछ है।

टीएल; डीआर (बहुत लंबा; पढ़ा नहीं)

फोटॉन का कोई जड़त्वीय द्रव्यमान नहीं होता है और न ही कोई सापेक्ष द्रव्यमान होता है। प्रयोगों से पता चला है कि फोटॉन में गति होती है, हालाँकि। विशेष सापेक्षता सैद्धांतिक रूप से इस प्रभाव की व्याख्या करती है।

गुरुत्वाकर्षण फोटॉन को उसी तरह प्रभावित करता है जैसे यह पदार्थ को कैसे प्रभावित करता है। न्यूटन का गुरुत्वाकर्षण का सिद्धांत इसे मना करेगा, लेकिन इसकी पुष्टि करने वाले प्रयोगात्मक परिणाम आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता के सिद्धांत के लिए मजबूत समर्थन जोड़ते हैं।

जड़त्वीय द्रव्यमान न्यूटन के दूसरे नियम द्वारा परिभाषित द्रव्यमान है:ए​ = ​एफ​ / ​म. आप इसे बल लगाने पर वस्तु के त्वरण के प्रतिरोध के रूप में सोच सकते हैं। फोटॉनों का ऐसा कोई प्रतिरोध नहीं है और वे अंतरिक्ष के माध्यम से सबसे तेज गति से यात्रा करते हैं - लगभग 300,000 किलोमीटर प्रति सेकंड।

आइंस्टीन के विशेष सापेक्षता के सिद्धांत के अनुसार, कोई भी वस्तु जिसका द्रव्यमान स्थिर होता है, आपेक्षिक द्रव्यमान प्राप्त करता है जैसे-जैसे यह गति में बढ़ता है, और अगर कुछ प्रकाश की गति तक पहुंच जाता है, तो यह अनंत होगा it द्रव्यमान। तो, क्या फोटॉन में अनंत द्रव्यमान होता है क्योंकि वे प्रकाश की गति से यात्रा करते हैं? चूंकि वे कभी आराम नहीं करते हैं, यह समझ में आता है कि उन्हें आराम द्रव्यमान नहीं माना जा सकता है। बाकी द्रव्यमान के बिना, इसे अन्य सापेक्षतावादी द्रव्यमानों की तरह नहीं बढ़ाया जा सकता है, और यही कारण है कि प्रकाश इतनी जल्दी यात्रा करने में सक्षम है।

यह भौतिक कानूनों का एक सुसंगत सेट तैयार करता है जो प्रयोगों से सहमत होते हैं, इसलिए फोटॉन में कोई सापेक्ष द्रव्यमान नहीं होता है और कोई जड़त्वीय द्रव्यमान नहीं होता है।

समीकरणपी​ = ​एमवीशास्त्रीय गति को परिभाषित करता है, जहांपीगति है,मद्रव्यमान है औरवीगति है। यह इस धारणा की ओर जाता है कि फोटॉन में गति नहीं हो सकती क्योंकि उनके पास द्रव्यमान नहीं है। हालांकि, प्रसिद्ध कॉम्पटन स्कैटरिंग प्रयोगों जैसे परिणाम बताते हैं कि उनके पास गति है, जैसा कि लगता है कि भ्रमित है। यदि आप एक इलेक्ट्रॉन पर फोटॉन शूट करते हैं, तो वे इलेक्ट्रॉनों से बिखर जाते हैं और गति के संरक्षण के अनुरूप ऊर्जा खो देते हैं। यह सबूतों के प्रमुख टुकड़ों में से एक था जिसे वैज्ञानिक इस विवाद को सुलझाने के लिए इस्तेमाल करते थे कि क्या प्रकाश कभी-कभी कण के साथ-साथ लहर की तरह व्यवहार करता है।

आइंस्टीन की सामान्य ऊर्जा अभिव्यक्ति एक सैद्धांतिक व्याख्या प्रस्तुत करती है कि यह सच क्यों है:

इस समीकरण में,सीप्रकाश की गति का प्रतिनिधित्व करता है औरम​_आराम बाकी द्रव्यमान है। हालाँकि, फोटॉन में आराम द्रव्यमान नहीं होता है। यह समीकरण को फिर से लिखता है:

या, अधिक सरलता से:

इससे पता चलता है कि उच्च-ऊर्जा फोटॉन में अधिक गति होती है, जैसा कि आप उम्मीद करेंगे।

गुरुत्वाकर्षण प्रकाश की दिशा को वैसे ही बदल देता है जैसे यह साधारण पदार्थ के मार्ग को बदल देता है। न्यूटन के गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत में, बल केवल जड़त्वीय द्रव्यमान वाली चीजों को प्रभावित करता है, लेकिन सामान्य सापेक्षता अलग है। पदार्थ स्पेसटाइम को विकृत करता है, जिसका अर्थ है कि सीधी रेखा में यात्रा करने वाली चीजें घुमावदार स्पेसटाइम की उपस्थिति में अलग-अलग पथ लेती हैं। यह पदार्थ को प्रभावित करता है, लेकिन यह फोटॉन को भी प्रभावित करता है। जब वैज्ञानिकों ने इस प्रभाव को देखा, तो यह इस बात का एक महत्वपूर्ण सबूत बन गया कि आइंस्टीन का सिद्धांत सही था।