Ketika Anda pertama kali mendengarnya, gagasan bahwa cahaya dapat memiliki massa mungkin tampak konyol, tetapi jika tidak memiliki massa, mengapa cahaya dipengaruhi oleh gravitasi? Bagaimana mungkin sesuatu yang tidak bermassa dikatakan memiliki momentum? Dua fakta tentang cahaya dan "partikel cahaya" yang disebut foton ini mungkin membuat Anda berpikir dua kali. Memang benar bahwa foton tidak memiliki massa inersia atau massa relativistik, tetapi ada lebih banyak cerita daripada hanya jawaban dasar itu.
TL; DR (Terlalu Panjang; Tidak Membaca)
Foton tidak memiliki massa inersia dan tidak memiliki massa relativistik. Eksperimen telah menunjukkan bahwa foton memang memiliki momentum. Relativitas khusus menjelaskan efek ini secara teoritis.
Gravitasi mempengaruhi foton dengan cara yang mirip dengan bagaimana hal itu mempengaruhi materi. Teori gravitasi Newton akan melarang hal ini, tetapi hasil eksperimen yang mengkonfirmasikannya menambah dukungan kuat untuk teori relativitas umum Einstein.
Foton Tidak Memiliki Massa Inersia dan Tidak Memiliki Massa Relativistik
Massa inersia adalah massa seperti yang didefinisikan oleh hukum kedua Newton:Sebuah = F / saya. Anda dapat menganggap ini sebagai resistensi objek terhadap percepatan ketika gaya diterapkan. Foton tidak memiliki hambatan seperti itu dan bergerak secepat mungkin melalui ruang angkasa – sekitar 300.000 kilometer per detik.
Menurut teori relativitas khusus Einstein, setiap benda dengan massa diam memperoleh massa relativistik karena momentumnya meningkat, dan jika sesuatu mencapai kecepatan cahaya, itu akan menjadi tak terbatas massa. Jadi, apakah foton memiliki massa tak terbatas karena mereka bergerak dengan kecepatan cahaya? Karena mereka tidak pernah beristirahat, masuk akal jika mereka tidak dapat dianggap memiliki massa istirahat. Tanpa massa diam, ia tidak dapat meningkat seperti massa relativistik lainnya, dan inilah mengapa cahaya dapat merambat begitu cepat.
Ini menghasilkan seperangkat hukum fisika yang konsisten yang sesuai dengan eksperimen, sehingga foton tidak memiliki massa relativistik dan tidak memiliki massa inersia.
Foton Memiliki Momentum
persamaanp = mvmendefinisikan momentum klasik, di manapadalah momentum,sayaadalah massa danvadalah kecepatan. Ini mengarah pada asumsi bahwa foton tidak dapat memiliki momentum karena tidak memiliki massa. Namun, hasil seperti eksperimen Hamburan Compton yang terkenal menunjukkan bahwa mereka memiliki momentum, sama membingungkannya dengan kelihatannya. Jika Anda menembakkan foton ke sebuah elektron, foton akan menyebar dari elektron dan kehilangan energi dengan cara yang konsisten dengan kekekalan momentum. Ini adalah salah satu bukti kunci yang digunakan para ilmuwan untuk menyelesaikan perselisihan tentang apakah cahaya terkadang berperilaku seperti partikel dan juga gelombang.
Ekspresi energi umum Einstein menawarkan penjelasan teoretis mengapa ini benar:
E^2=p^2c^2+m_{istirahat}^2c^2
Dalam persamaan ini,cmewakili kecepatan cahaya dansayaberistirahat adalah massa sisa. Namun, foton tidak memiliki massa diam. Ini menulis ulang persamaan sebagai:
E^2=p^2c^2
Atau, lebih sederhana:
p=\frac{E}{c}
Ini menunjukkan bahwa foton berenergi lebih tinggi memiliki lebih banyak momentum, seperti yang Anda harapkan.
Cahaya Dipengaruhi oleh Gravitasi
Gravitasi mengubah jalannya cahaya dengan cara yang sama seperti mengubah jalannya materi biasa. Dalam teori gravitasi Newton, gaya hanya mempengaruhi benda-benda dengan massa inersia, tetapi relativitas umum berbeda. Materi membelokkan ruangwaktu, yang berarti bahwa benda-benda yang bergerak dalam garis lurus mengambil jalur yang berbeda dengan adanya ruangwaktu yang melengkung. Ini mempengaruhi materi, tetapi juga mempengaruhi foton. Ketika para ilmuwan mengamati efek ini, itu menjadi bukti kunci bahwa teori Einstein benar.