Når du først hører det, kan ideen om at lys kan ha masse virke latterlig, men hvis det ikke har masse, hvorfor påvirkes lys av tyngdekraften? Hvordan kan noe uten masse sies å ha fart? Disse to fakta om lys og "lyspartikler" som kalles fotoner, kan få deg til å tenke deg om. Det er sant at fotoner ikke har treghetsmasse eller relativistisk masse, men det er mer i historien enn bare det grunnleggende svaret.
TL; DR (for lang; Leste ikke)
Fotoner har ingen treghetsmasse og ingen relativistisk masse. Eksperimenter har imidlertid vist at fotoner har fart. Spesiell relativitetsteori forklarer denne effekten teoretisk.
Tyngdekraften påvirker fotoner på en måte som ligner på hvordan den påvirker materien. Newtons gravitasjonsteori ville forby dette, men eksperimentelle resultater som bekreftet den, legger sterk støtte til Einsteins generelle relativitetsteori.
Fotoner har ingen treghetsmasse og ingen relativistisk masse
Treghetsmasse er massen som definert av Newtons andre lov:en = F / m. Du kan tenke på dette som objektets motstand mot akselerasjon når en kraft påføres. Fotoner har ingen slik motstand og reiser med den raskeste mulige hastigheten gjennom verdensrommet - omtrent 300 000 kilometer i sekundet.
I følge Einsteins teori om spesiell relativitet, får ethvert objekt med hvilemasse relativistisk masse når det øker i fart, og hvis noe når lysets hastighet, ville det ha uendelig masse. Så har fotoner uendelig masse fordi de beveger seg med lysets hastighet? Siden de aldri hviler, er det fornuftig at de ikke kan anses å ha hvilemasse. Uten hvilemasse kan den ikke økes som andre relativistiske masser, og det er derfor lys er i stand til å reise så raskt.
Dette gir et konsistent sett med fysiske lover som stemmer overens med eksperimenter, så fotoner har ingen relativistisk masse og ingen treghetsmasse.
Fotoner har fart
Ligningens = mvdefinerer klassisk momentum, hvorser fart,mer masse ogver fart. Dette fører til antagelsen om at fotoner ikke kan få fart fordi de ikke har masse. Imidlertid viser resultater som de berømte Compton Scattering-eksperimentene at de har fart, så forvirrende som det virker. Hvis du skyter fotoner på et elektron, sprer de seg fra elektronene og mister energi på en måte som er i samsvar med bevaringen av momentum. Dette var en av de viktigste bevisene forskere brukte for å løse tvisten om hvorvidt lys oppførte seg som en partikkel så vel som en bølge noen ganger.
Einsteins generelle energiuttrykk gir en teoretisk forklaring på hvorfor dette er sant:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m_ {resten} ^ 2c ^ 2
I denne ligningen,crepresenterer lysets hastighet ogmhvile er resten masse. Fotoner har imidlertid ikke hvilemasse. Dette omskriver ligningen som:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2
Eller, enklere:
p = \ frac {E} {c}
Dette viser at høyere energi fotoner har mer fart, som du forventer.
Lys påvirkes av tyngdekraften
Tyngdekraften endrer lysets gang på samme måte som den endrer løpet av vanlig materie. I Newtons gravitasjonsteori påvirket kraften bare ting med treghetsmasse, men generell relativitet er forskjellig. Materien vrir romtid, noe som betyr at ting som beveger seg i rette linjer tar forskjellige veier i nærvær av buet romtid. Dette påvirker materie, men det påvirker også fotoner. Da forskere observerte denne effekten, ble det et viktig bevis på at Einsteins teori var riktig.