Ko jo prvič slišite, se zdi ideja, da bi lahko svetloba imela maso, smešna, če pa je nima, zakaj na svetlobo vpliva gravitacija? Kako bi lahko rekli, da ima nekaj brez maše zagon? Zaradi teh dveh dejstev o svetlobi in "delcih svetlobe", imenovanih fotoni, boste morda dvakrat premislili. Res je, da fotoni nimajo vztrajnostne mase ali relativistične mase, toda zgodba ima več kot le osnovni odgovor.
TL; DR (predolgo; Nisem prebral)
Fotoni nimajo vztrajnostne mase in relativistične mase. Poskusi so pokazali, da imajo fotoni zagon. Posebna relativnost ta učinek pojasnjuje teoretično.
Gravitacija vpliva na fotone na podoben način, kot vpliva na snov. Newtonova teorija gravitacije bi to prepovedala, vendar eksperimentalni rezultati, ki to potrjujejo, močno podpirajo Einsteinovo teorijo splošne relativnosti.
Fotoni nimajo inercijske mase in relativistične mase
Inercialna masa je masa, kot jo opredeljuje Newtonov drugi zakon:a = F / m. To lahko predstavljate kot odpornost predmeta na pospeševanje ob uporabi sile. Fotoni nimajo takšnega upora in potujejo s čim hitrejšo hitrostjo skozi vesolje - približno 300.000 kilometrov na sekundo.
Po Einsteinovi teoriji posebne relativnosti vsak objekt z maso počitka pridobi relativistično maso ko narašča zagon in če bi nekaj doseglo svetlobno hitrost, bi bilo neskončno maso. Ali imajo torej fotoni neskončno maso, ker potujejo s svetlobno hitrostjo? Ker nikoli ne pridejo k počitku, je smiselno, da zanje ni mogoče šteti, da imajo maso počitka. Brez mase počitka je ni mogoče povečati kot druge relativistične mase in zato je svetloba sposobna tako hitro potovati.
Tako nastane dosleden nabor fizikalnih zakonov, ki se ujemajo s poskusi, zato fotoni nimajo relativistične mase in nimajo vztrajnostne mase.
Fotoni imajo zagon
Enačbastr = mvdefinira klasični zagon, kjerstrje zagon,mje masa invje hitrost. To vodi do domneve, da fotoni ne morejo imeti zagona, ker nimajo mase. Rezultati, kot so znani eksperimenti s Compton Scattering, pa kažejo, da imajo zagon, tako zmeden, kot se zdi. Če fotone posnamete na elektron, se ti razpršijo iz elektronov in izgubijo energijo na način, ki je skladen z ohranjanjem zagona. To je bil eden ključnih dokazov, s katerimi so znanstveniki reševali spor o tem, ali se svetloba obnaša kot delci in včasih tudi val.
Einsteinovo splošno izražanje energije ponuja teoretično razlago, zakaj je to res:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m_ {počitek} ^ 2c ^ 2
V tej enačbicpredstavlja hitrost svetlobe inmpočitek je masa počitka. Vendar fotoni nimajo mase počitka. Ta enačbo prepiše kot:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2
Ali, bolj preprosto:
p = \ frac {E} {c}
To kaže, da imajo fotoni z večjo energijo večji zagon, kot bi pričakovali.
Na svetlobo vpliva gravitacija
Gravitacija spremeni tok svetlobe na enak način kot tok običajne snovi. V Newtonovi teoriji gravitacije je sila vplivala le na stvari z inercialno maso, vendar je splošna relativnost drugačna. Materija upogiba prostor-čas, kar pomeni, da stvari, ki potujejo po ravnih črtah, ob prisotnosti ukrivljenega prostora-časa uberejo različne poti. To vpliva na snov, vpliva pa tudi na fotone. Ko so znanstveniki opazili ta učinek, je to postalo ključni dokaz, da je bila Einsteinova teorija pravilna.