Os fótons têm massa?

Quando você ouve isso pela primeira vez, a ideia de que a luz pode ter massa pode parecer ridícula, mas se ela não tem massa, por que a luz é afetada pela gravidade? Como pode ser dito que algo sem massa tem impulso? Esses dois fatos sobre a luz e as “partículas de luz” chamadas fótons podem fazer você pensar duas vezes. É verdade que os fótons não têm massa inercial ou massa relativística, mas há mais nesta história do que apenas essa resposta básica.

TL; DR (muito longo; Não li)

Os fótons não têm massa inercial e nenhuma massa relativística. Experimentos demonstraram que os fótons têm momentum, no entanto. A relatividade especial explica esse efeito teoricamente.

A gravidade afeta os fótons de maneira semelhante à forma como afeta a matéria. A teoria da gravidade de Newton proibiria isso, mas os resultados experimentais que confirmam acrescentam um forte suporte para a teoria da relatividade geral de Einstein.

Os fótons não têm massa inercial e nenhuma massa relativística

Massa inercial é a massa definida pela segunda lei de Newton:

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uma​ = ​F​ / ​m. Você pode pensar nisso como a resistência do objeto à aceleração quando uma força é aplicada. Os fótons não têm essa resistência e viajam na velocidade mais rápida possível através do espaço - cerca de 300.000 quilômetros por segundo.

De acordo com a teoria da relatividade especial de Einstein, qualquer objeto com massa de repouso ganha massa relativística à medida que aumenta de momento, e se algo atingisse a velocidade da luz, teria massa. Então, os fótons têm massa infinita porque viajam à velocidade da luz? Uma vez que eles nunca vêm para descansar, faz sentido que eles não possam ser considerados como tendo massa de repouso. Sem uma massa de repouso, ela não pode ser aumentada como outras massas relativísticas, e é por isso que a luz é capaz de viajar tão rapidamente.

Isso produz um conjunto consistente de leis físicas que concordam com os experimentos, de modo que os fótons não têm massa relativística nem massa inercial.

Os fótons têm impulso

A equaçãop​ = ​mvdefine o momento clássico, ondepé momentum,mé massa evé a velocidade. Isso leva à suposição de que os fótons não podem ter momento porque não têm massa. No entanto, resultados como os famosos experimentos de dispersão de Compton mostram que eles têm momentum, por mais confuso que pareça. Se você atirar fótons em um elétron, eles se espalham dos elétrons e perdem energia de uma forma consistente com a conservação do momento. Essa foi uma das principais evidências que os cientistas usaram para resolver a disputa sobre se a luz às vezes se comportava como uma partícula e também como uma onda.

A expressão geral de energia de Einstein oferece uma explicação teórica de por que isso é verdade:

E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m_ {resto} ^ 2c ^ 2

Nesta equação,crepresenta a velocidade da luz emdescanso é a massa restante. No entanto, os fótons não têm massa de repouso. Isso reescreve a equação como:

E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2

Ou, mais simplesmente:

p = \ frac {E} {c}

Isso mostra que os fótons de energia mais alta têm mais momentum, como seria de esperar.

A luz é afetada pela gravidade

A gravidade altera o curso da luz da mesma forma que altera o curso da matéria comum. Na teoria da gravidade de Newton, a força afetava apenas coisas com massa inercial, mas a relatividade geral é diferente. A matéria distorce o espaço-tempo, o que significa que as coisas que viajam em linhas retas tomam caminhos diferentes na presença de um espaço-tempo curvo. Isso afeta a matéria, mas também afeta os fótons. Quando os cientistas observaram esse efeito, tornou-se uma evidência-chave de que a teoria de Einstein estava correta.

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