Pirmą kartą išgirdus mintis, kad šviesa gali turėti masę, gali atrodyti juokinga, bet jei ji neturi masės, kodėl šviesą veikia gravitacija? Kaip galima sakyti, kad kažkas be masės turi impulsą? Šie du faktai apie šviesą ir „šviesos daleles“, vadinamus fotonais, gali priversti susimąstyti. Tiesa, kad fotonai neturi inercinės masės ar reliatyvistinės masės, tačiau istorijoje yra ne tik tas pagrindinis atsakymas.
TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)
Fotonai neturi inercinės masės ir reliatyvistinės masės. Eksperimentai parodė, kad fotonai vis dėlto turi impulsą. Specialusis reliatyvumas šį poveikį paaiškina teoriškai.
Gravitacija veikia fotonus panašiai kaip ir materiją. Niutono gravitacijos teorija tai uždraustų, tačiau ją patvirtinantys eksperimentiniai rezultatai prideda tvirtą paramą Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijai.
Fotonai neturi inercinių ir reliatyvistinių mišių
Inercinė masė yra masė, kaip apibrėžta antrame Niutono dėsnyje:a = F / m. Galite tai galvoti kaip apie objekto atsparumą pagreičiui, kai taikoma jėga. Fotonai neturi tokio pasipriešinimo ir per kosmosą juda greičiausiu greičiu - apie 300 000 kilometrų per sekundę.
Pagal Einšteino ypatingojo reliatyvumo teoriją, bet kuris objektas, turintis ramybės masę, įgyja reliatyvistinę masę didėjant pagreitiui, ir jei kažkas pasiektų šviesos greitį, tai būtų begalybė masės. Taigi, ar fotonų masė yra begalinė, nes jie sklinda šviesos greičiu? Kadangi jie niekada neatsibosta, yra prasminga, kad jų negalima laikyti poilsio masėmis. Be poilsio masės jos negalima padidinti kaip kitų reliatyvistinių masių, todėl šviesa sugeba taip greitai keliauti.
Tai sukuria nuoseklų fizinių dėsnių rinkinį, kuris sutampa su eksperimentais, todėl fotonai neturi reliatyvistinės masės ir inercinės masės.
Fotonai turi pagreitį
Lygtisp = mvapibrėžia klasikinį impulsą, kurpyra pagreitis,myra masinė irvyra greitis. Tai leidžia daryti prielaidą, kad fotonai negali pagreitinti, nes neturi masės. Tačiau tokie rezultatai, kaip garsieji „Compton Scattering“ eksperimentai, rodo, kad jie turi pagreitį, kaip atrodo painu. Jei fotografuojate fotonus į elektroną, jie išsisklaido iš elektronų ir praranda energiją tokiu būdu, kuris atitinka impulsų išsaugojimą. Tai buvo vienas iš pagrindinių įrodymų, kuriuos mokslininkai panaudojo ginčui išspręsti, ar šviesa kartais elgėsi kaip dalelė, taip pat kaip banga.
Einšteino bendroji energijos išraiška pateikia teorinį paaiškinimą, kodėl tai tiesa:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m_ {poilsio} ^ 2c ^ 2
Šioje lygtyjecreiškia šviesos greitį irmpailsėti yra poilsio masė. Tačiau fotonai neturi ramybės masės. Tai perrašo lygtį taip:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2
Arba paprasčiau:
p = \ frac {E} {c}
Tai rodo, kad didesnės energijos fotonai turi didesnį impulsą, kaip ir galima tikėtis.
Šviesą veikia gravitacija
Gravitacija keičia šviesos eigą taip pat, kaip ir įprastos materijos eigą. Niutono gravitacijos teorijoje jėga paveikė tik inercinės masės dalykus, tačiau bendrasis reliatyvumas yra kitoks. Materija iškreipia erdvėlaikį, o tai reiškia, kad tiesia linija keliaujantys dalykai, esant kreivam erdvės laikui, eina skirtingais keliais. Tai veikia materiją, bet ir fotonus. Kai mokslininkai pastebėjo šį efektą, tai tapo pagrindiniu įrodymu, kad Einšteino teorija buvo teisinga.
