Когда вы впервые слышите это, идея о том, что свет может иметь массу, может показаться нелепой, но если у него нет массы, почему на свет действует гравитация? Как можно сказать, что что-то без массы имеет импульс? Эти два факта о свете и «частицах света», называемых фотонами, могут заставить вас дважды подумать. Это правда, что фотоны не обладают инертной массой или релятивистской массой, но в этой истории есть нечто большее, чем просто основной ответ.
TL; DR (слишком длинный; Не читал)
У фотонов нет ни инертной, ни релятивистской массы. Однако эксперименты показали, что у фотонов есть импульс. Специальная теория относительности объясняет этот эффект теоретически.
Гравитация влияет на фотоны так же, как на материю. Теория гравитации Ньютона запретила бы это, но экспериментальные результаты, подтверждающие это, сильно подтверждают общую теорию относительности Эйнштейна.
Фотоны не имеют инертной и релятивистской массы
Инертная масса - это масса, определенная вторым законом Ньютона:а = F /
Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, любой объект с массой покоя приобретает релятивистскую массу. по мере увеличения импульса, и если бы что-то достигло скорости света, у него было бы бесконечное число масса. Итак, имеют ли фотоны бесконечную массу, потому что они движутся со скоростью света? Поскольку они никогда не приходят в состояние покоя, логично предположить, что они не обладают массой покоя. Без массы покоя ее нельзя увеличить, как другие релятивистские массы, и поэтому свет может перемещаться так быстро.
Это создает последовательный набор физических законов, которые согласуются с экспериментами, поэтому фотоны не имеют релятивистской массы и инертной массы.
У фотонов есть импульс
Уравнениеп = мвопределяет классический импульс, гдепимпульс,ммасса иvэто скорость. Это приводит к предположению, что фотоны не могут иметь импульса, потому что у них нет массы. Однако такие результаты, как знаменитые эксперименты по комптоновскому рассеянию, показывают, что у них действительно есть импульс, как бы это ни сбивало с толку. Если вы стреляете фотонами в электрон, они рассеиваются от электронов и теряют энергию в соответствии с законом сохранения количества движения. Это было одним из ключевых доказательств, которые ученые использовали для разрешения спора о том, ведет ли свет как частица, а иногда и как волна.
Общее выражение энергии Эйнштейна предлагает теоретическое объяснение того, почему это так:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m_ {rest} ^ 2c ^ 2
В этом уравненииcпредставляет скорость света имотдых масса покоя. Однако у фотонов нет массы покоя. Это переписывает уравнение как:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2
Или проще:
p = \ frac {E} {c}
Это показывает, что фотоны с более высокой энергией имеют больший импульс, как и следовало ожидать.
На свет действует гравитация
Гравитация изменяет ход света так же, как и обычную материю. В теории гравитации Ньютона сила воздействовала только на объекты с инертной массой, но общая теория относительности отличается. Материя искривляет пространство-время, а это означает, что вещи, движущиеся по прямым линиям, идут разными путями в присутствии искривленного пространства-времени. Это влияет на материю, но это также влияет на фотоны. Когда ученые наблюдали этот эффект, он стал ключевым доказательством того, что теория Эйнштейна верна.