כשאתה שומע זאת לראשונה, הרעיון שאור יכול להיות בעל מסה אולי נראה מגוחך, אך אם אין לו מסה, מדוע האור מושפע מכוח המשיכה? איך אפשר לומר שלמשהו ללא המסה יש תאוצה? שתי עובדות אלה על האור ועל "חלקיקי האור" הנקראים פוטונים עשויים לגרום לך לחשוב פעמיים. נכון שלפוטונים אין מסה אינרציאלית או מסת רלטיביסטית, אבל יש בסיפור יותר מאשר רק התשובה הבסיסית הזו.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
לפוטונים אין מסה אינרציאלית ואין מסה יחסית. ניסויים הוכיחו כי לפוטונים אכן יש תאוצה. תורת היחסות המיוחדת מסבירה אפקט זה באופן תיאורטי.
כוח המשיכה משפיע על פוטונים באופן דומה לאופן בו הוא משפיע על חומר. תורת הכבידה של ניוטון אוסרת זאת, אך תוצאות ניסוי המאשרות אותה מוסיפות תמיכה חזקה בתורת היחסות הכללית של איינשטיין.
לפוטונים אין מסה אינרציאלית ואין מסה יחסית
מסה אינרציאלית היא המסה כהגדרתה בחוק השני של ניוטון:א = F / M. אתה יכול לחשוב על זה כעל עמידות האובייקט לתאוצה בעת הפעלת כוח. לפוטונים אין התנגדות כזו ונוסעים במהירות המהירה ביותר האפשרית בחלל - כ -300,000 ק"מ לשנייה.
על פי תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין, כל אובייקט עם מסת המנוחה זוכה למסה יחסית ככל שהוא גדל במומנטום, ואם משהו היה מגיע למהירות האור, זה היה אינסופי מסה. אז האם לפוטונים יש מסה אינסופית מכיוון שהם נעים במהירות האור? מכיוון שהם מעולם לא מגיעים למנוחה, זה הגיוני שהם לא יכולים להיחשב כבעל מסת מנוחה. ללא מסה מנוחה, אי אפשר להגדיל אותה כמו המוני יחסות אחרים, ולכן האור מסוגל לנסוע כל כך מהר.
זה מייצר מערך עקבי של חוקים פיזיקליים שמסכימים עם ניסויים, ולכן לפוטונים אין מסה רלטיביסטית ואין מסה אינרציאלית.
לפוטונים יש תאוצה
המשוואהעמ ' = mvמגדיר מומנטום קלאסי, היכןעמ 'הוא מומנטום,Mהוא המוני וvהוא מהירות. זה מוביל להנחה שלפוטונים לא יכול להיות תאוצה מכיוון שאין להם מסה. עם זאת, תוצאות כמו הניסויים המפורסמים בפיזור קומפטון מראים שיש להם מומנטום, מבלבל ככל שזה נראה. אם אתה יורה בפוטונים לעבר אלקטרון, הם מתפזרים מהאלקטרונים ומאבדים אנרגיה באופן שעולה בקנה אחד עם שמירת המומנטום. זו הייתה אחת מראיות הראיות שהמדענים השתמשו בה כדי ליישב את המחלוקת האם אור מתנהג כמו חלקיק כמו גם גל לפעמים.
ביטוי האנרגיה הכללי של איינשטיין מציע הסבר תיאורטי מדוע זה נכון:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m_ {rest} ^ 2c ^ 2
במשוואה זו,גמייצג את מהירות האור ו-Mמנוחה הוא המסה המנוחה. עם זאת, לפוטונים אין מסת מנוחה. זה משכתב את המשוואה כ:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2
או יותר פשוט:
p = \ frac {E} {c}
זה מראה שלפוטונים בעלי אנרגיה גבוהה יותר יש יותר מומנטום, כפי שהיית מצפה.
האור מושפע מכוח המשיכה
כוח המשיכה משנה את מהלך האור באותו אופן שהוא משנה את מהלך החומר הרגיל. בתורת הכבידה של ניוטון, הכוח השפיע רק על דברים בעלי מסה אינרציאלית, אך תורת היחסות הכללית שונה. חומר מעוות זמן חלל, מה שאומר שדברים הנעים בקווים ישרים הולכים בדרכים שונות בנוכחות זמן חלל מעוקל. זה משפיע על החומר, אבל זה משפיע גם על פוטונים. כאשר מדענים הבחינו בהשפעה זו, היא הפכה לראיה מרכזית לכך שהתאוריה של איינשטיין נכונה.