Wanneer je het voor het eerst hoort, lijkt het idee dat licht massa zou kunnen hebben misschien belachelijk, maar als het geen massa heeft, waarom wordt licht dan beïnvloed door de zwaartekracht? Hoe kan iets zonder massa momentum hebben? Deze twee feiten over licht en de 'lichtdeeltjes' die fotonen worden genoemd, doen je misschien wel twee keer nadenken. Het is waar dat fotonen geen traagheidsmassa of relativistische massa hebben, maar er is meer aan de hand dan alleen dat fundamentele antwoord.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Fotonen hebben geen traagheidsmassa en geen relativistische massa. Experimenten hebben echter aangetoond dat fotonen momentum hebben. De speciale relativiteitstheorie verklaart dit effect theoretisch.
Zwaartekracht beïnvloedt fotonen op een manier die vergelijkbaar is met hoe het materie beïnvloedt. Newtons zwaartekrachttheorie zou dit verbieden, maar experimentele resultaten die dit bevestigen, voegen sterke ondersteuning toe voor Einsteins algemene relativiteitstheorie.
Fotonen hebben geen traagheidsmassa en geen relativistische massa
Traagheidsmassa is de massa zoals gedefinieerd door de tweede wet van Newton:een = F / m. Je kunt dit zien als de weerstand van het object tegen versnelling wanneer er een kracht op wordt uitgeoefend. Fotonen hebben zo'n weerstand niet en reizen met de hoogst mogelijke snelheid door de ruimte - ongeveer 300.000 kilometer per seconde.
Volgens de speciale relativiteitstheorie van Einstein krijgt elk object met rustmassa een relativistische massa als het in momentum toeneemt, en als iets de snelheid van het licht zou bereiken, zou het oneindig zijn massa. Dus, hebben fotonen oneindige massa omdat ze met de snelheid van het licht reizen? Omdat ze nooit tot rust komen, is het logisch dat ze niet als rustmassa kunnen worden beschouwd. Zonder rustmassa kan deze niet worden vergroot zoals andere relativistische massa's, en dit is de reden waarom licht zo snel kan reizen.
Dit levert een consistente reeks natuurkundige wetten op die overeenkomen met experimenten, dus fotonen hebben geen relativistische massa en geen traagheidsmassa.
Fotonen hebben momentum
De vergelijkingp = mvdefinieert klassiek momentum, waarbij:pis vaart,mis massa envsnelheid is. Dit leidt tot de veronderstelling dat fotonen geen momentum kunnen hebben omdat ze geen massa hebben. Resultaten zoals de beroemde Compton Scattering-experimenten laten echter zien dat ze wel degelijk momentum hebben, hoe verwarrend dat ook lijkt. Als je fotonen op een elektron schiet, verstrooien ze van de elektronen en verliezen ze energie op een manier die consistent is met het behoud van momentum. Dit was een van de belangrijkste bewijzen die wetenschappers gebruikten om het geschil te beslechten of licht zich soms zowel als een deeltje als als een golf gedroeg.
Einsteins algemene energie-uitdrukking biedt een theoretische verklaring waarom dit waar is:
E^2=p^2c^2+m_{rust}^2c^2
In deze vergelijking,cvertegenwoordigt de snelheid van het licht enmrust uit is de rustmassa. Fotonen hebben echter geen rustmassa. Dit herschrijft de vergelijking als:
E^2=p^2c^2
Of, eenvoudiger:
p=\frac{E}{c}
Dit laat zien dat fotonen met hogere energie meer momentum hebben, zoals je zou verwachten.
Licht wordt beïnvloed door zwaartekracht
Zwaartekracht verandert de loop van licht op dezelfde manier als de loop van gewone materie. In de zwaartekrachttheorie van Newton beïnvloedde de kracht alleen dingen met traagheidsmassa, maar de algemene relativiteitstheorie is anders. Materie vervormt de ruimtetijd, wat betekent dat dingen die in rechte lijnen reizen, verschillende paden volgen in de aanwezigheid van gekromde ruimtetijd. Dit heeft invloed op de materie, maar ook op fotonen. Toen wetenschappers dit effect observeerden, werd het een belangrijk bewijs dat de theorie van Einstein correct was.