Kiedy po raz pierwszy to słyszysz, pomysł, że światło może mieć masę, może wydawać się absurdalny, ale jeśli nie ma masy, dlaczego grawitacja wpływa na światło? Jak można powiedzieć, że coś bez masy ma pęd? Te dwa fakty dotyczące światła i „cząstek światła” zwanych fotonami mogą sprawić, że zastanowisz się dwa razy. To prawda, że fotony nie mają masy bezwładności ani masy relatywistycznej, ale w tej historii jest coś więcej niż tylko ta podstawowa odpowiedź.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Fotony nie mają masy bezwładności ani masy relatywistycznej. Eksperymenty wykazały jednak, że fotony mają pęd. Szczególna teoria względności wyjaśnia ten efekt teoretycznie.
Grawitacja wpływa na fotony w podobny sposób, jak wpływa na materię. Teoria grawitacji Newtona zabraniałaby tego, ale potwierdzające to wyniki eksperymentalne dodają silnego wsparcia dla ogólnej teorii względności Einsteina.
Fotony nie mają masy bezwładności ani masy relatywistycznej
Masa bezwładna to masa zdefiniowana przez drugie prawo Newtona:
Zgodnie ze szczególną teorią względności Einsteina każdy obiekt o masie spoczynkowej zyskuje masę relatywistyczną w miarę wzrostu pędu, a gdyby coś osiągnęło prędkość światła, miałoby nieskończoność masa. Czy więc fotony mają nieskończoną masę, ponieważ poruszają się z prędkością światła? Ponieważ nigdy nie odpoczywają, ma sens, że nie można uznać, że mają masę spoczynkową. Bez masy spoczynkowej nie można jej zwiększyć, jak innych mas relatywistycznych, i dlatego światło może podróżować tak szybko.
Daje to spójny zestaw praw fizycznych zgodnych z eksperymentami, więc fotony nie mają masy relatywistycznej ani masy bezwładnej.
Fotony mają rozpęd
Równaniep = mvdefiniuje klasyczny pęd, gdziepjest rozmach,mijest masa ivto prędkość. Prowadzi to do założenia, że fotony nie mogą mieć pędu, ponieważ nie mają masy. Jednak wyniki, takie jak słynne eksperymenty Compton Scattering, pokazują, że mają one rozmach, choć wydaje się to zagmatwane. Jeśli wystrzeli się fotony w elektron, rozpraszają się one od elektronów i tracą energię w sposób zgodny z zasadą zachowania pędu. Był to jeden z kluczowych dowodów wykorzystanych przez naukowców do rozstrzygnięcia sporu o to, czy światło zachowywało się czasami jak cząsteczka, a nie jak fala.
Ogólne wyrażenie energii Einsteina oferuje teoretyczne wyjaśnienie, dlaczego tak jest:
E^2=p^2c^2+m_{reszta}^2c^2
W tym równaniudoreprezentuje prędkość światła imireszta to masa spoczynkowa. Fotony nie mają jednak masy spoczynkowej. To przepisuje równanie jako:
E^2=p^2c^2
Lub prościej:
p=\frac{E}{c}
To pokazuje, że fotony o wyższych energiach mają większy pęd, jak można się było spodziewać.
Na światło wpływa grawitacja
Grawitacja zmienia bieg światła w taki sam sposób, w jaki zmienia bieg zwykłej materii. W teorii grawitacji Newtona siła oddziaływała tylko na rzeczy o masie bezwładnej, ale ogólna teoria względności jest inna. Materia zakrzywia czasoprzestrzeń, co oznacza, że rzeczy poruszające się po liniach prostych obierają różne ścieżki w obecności zakrzywionej czasoprzestrzeni. Ma to wpływ na materię, ale także na fotony. Kiedy naukowcy zaobserwowali ten efekt, stał się kluczowym dowodem na to, że teoria Einsteina była poprawna.