Când o auzi pentru prima dată, ideea că lumina ar putea avea masă ar putea părea ridicolă, dar dacă nu are masă, de ce lumina este afectată de gravitație? Cum s-ar putea spune că ceva fără masă are impuls? Aceste două fapte despre lumină și „particulele de lumină” numite fotoni te-ar putea face să te gândești de două ori. Este adevărat că fotonii nu au masă inerțială sau masă relativistă, dar povestea are mai mult decât un răspuns de bază.
TL; DR (Prea lung; Nu am citit)
Fotonii nu au masă inerțială și nici masă relativistă. Experimentele au demonstrat că fotonii au însă impuls. Relativitatea specială explică teoretic acest efect.
Gravitația afectează fotonii într-un mod similar cu modul în care afectează materia. Teoria gravitației lui Newton ar interzice acest lucru, dar rezultatele experimentale care o confirmă adaugă un puternic sprijin pentru teoria relativității generale a lui Einstein.
Fotonii nu au nicio masă inerțială și nicio masă relativistă
Masa inerțială este masa definită de a doua lege a lui Newton:
Conform teoriei relativității speciale a lui Einstein, orice obiect cu masă de repaus câștigă masă relativistă pe măsură ce crește în impuls și dacă ceva ar atinge viteza luminii, ar avea infinit masa. Deci, fotonii au masă infinită, deoarece călătoresc cu viteza luminii? Din moment ce nu vin niciodată să se odihnească, este logic că nu ar putea fi considerați că au masă de odihnă. Fără o masă de odihnă, ea nu poate fi mărită ca alte mase relativiste, și de aceea lumina este capabilă să călătorească atât de repede.
Aceasta produce un set consistent de legi fizice care sunt de acord cu experimentele, astfel încât fotonii nu au masă relativistă și nici masă inerțială.
Fotonii au impuls
Ecuațiap = mvdefinește impulsul clasic, undepeste impuls,meste masa șiveste viteza. Acest lucru duce la presupunerea că fotonii nu pot avea impuls deoarece nu au masă. Cu toate acestea, rezultate precum celebrele experimente Compton Scattering arată că au un impuls, pe cât de confuz pare. Dacă trageți fotoni asupra unui electron, aceștia se împrăștie din electroni și pierd energie într-un mod compatibil cu conservarea impulsului. Aceasta a fost una dintre dovezile cheie pe care oamenii de știință le-au folosit pentru a soluționa disputa cu privire la faptul că lumina s-a comportat uneori ca o particulă și ca o undă.
Expresia generală de energie a lui Einstein oferă o explicație teoretică a motivului pentru care acest lucru este adevărat:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m_ {rest} ^ 2c ^ 2
În această ecuație,creprezintă viteza luminii șimodihnă este masa de odihnă. Cu toate acestea, fotonii nu au masă de odihnă. Aceasta rescrie ecuația ca:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2
Sau, mai simplu:
p = \ frac {E} {c}
Acest lucru arată că fotonii cu energie superioară au mai mult impuls, așa cum v-ați aștepta.
Lumina este afectată de gravitate
Gravitația modifică cursul luminii în același mod în care modifică cursul materiei obișnuite. În teoria gravitației lui Newton, forța a afectat numai lucrurile cu masă inerțială, dar relativitatea generală este diferită. Materia deformează spațiul-timp, ceea ce înseamnă că lucrurile care călătoresc în linii drepte iau căi diferite în prezența spațiului-timp curbat. Acest lucru afectează materia, dar afectează și fotonii. Când oamenii de știință au observat acest efect, a devenit o dovadă cheie că teoria lui Einstein era corectă.