När du först hör det kan tanken att ljus kan ha massa tyckas löjligt, men om det inte har massa, varför påverkas ljuset av tyngdkraften? Hur kan något utan massa sägas ha fart? Dessa två fakta om ljus och de "ljuspartiklar" som kallas fotoner kan få dig att tänka två gånger. Det är sant att fotoner inte har tröghetsmassa eller relativism, men det finns mer i berättelsen än bara det grundläggande svaret.
TL; DR (för lång; Läste inte)
Fotoner har ingen tröghetsmassa och ingen relativistisk massa. Experiment har dock visat att fotoner har fart. Specialrelativitet förklarar denna effekt teoretiskt.
Gravitation påverkar fotoner på ett sätt som liknar hur det påverkar materia. Newtons gravitationsteori skulle förbjuda detta, men experimentella resultat som bekräftar det ger starkt stöd för Einsteins allmänna relativitetsteori.
Fotoner har ingen tröghetsmassa och ingen relativism
Tröghetsmassa är massan enligt Newtons andra lag:a = F / m. Du kan tänka på detta som objektets motstånd mot acceleration när en kraft appliceras. Fotoner har inget sådant motstånd och färdas med den snabbaste möjliga hastigheten genom rymden - cirka 300 000 kilometer per sekund.
Enligt Einsteins teori om specialrelativitet får varje objekt med vilmassa relativistisk massa när det ökar i fart, och om något skulle nå ljusets hastighet, skulle det ha varit oändligt massa. Så har fotoner oändlig massa eftersom de färdas med ljusets hastighet? Eftersom de aldrig vilar är det vettigt att de inte kan anses ha vilmassa. Utan en vilmassa kan den inte ökas som andra relativistiska massor, och det är därför ljuset kan resa så snabbt.
Detta ger en konsekvent uppsättning fysiska lagar som överensstämmer med experiment, så fotoner har ingen relativistisk massa och ingen tröghetsmassa.
Fotoner har fart
Ekvationensid = mvdefinierar klassisk fart, varsidär fart,mär massa ochvär hastighet. Detta leder till antagandet att fotoner inte kan få fart eftersom de inte har massa. Men resultat som de berömda Compton Scattering-experimenten visar att de har fart, så förvirrande som det verkar. Om du skjuter fotoner mot en elektron sprids de från elektronerna och förlorar energi på ett sätt som överensstämmer med bevarandet av momentum. Detta var en av de viktigaste bevisen som forskare använde för att lösa tvisten om huruvida ljus beter sig som en partikel såväl som en våg ibland.
Einsteins allmänna energiuttryck ger en teoretisk förklaring till varför detta är sant:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m_ {resten} ^ 2c ^ 2
I denna ekvation,crepresenterar ljusets hastighet ochmresten är resten massa. Fotoner har dock ingen vilmassa. Detta skriver om ekvationen som:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2
Eller, enklare:
p = \ frac {E} {c}
Detta visar att foton med högre energi har mer fart, som du förväntar dig.
Ljuset påverkas av tyngdkraften
Tyngdkraften förändrar ljusets gång på samma sätt som den förändrar vanliga materiens gång. I Newtons gravitationsteori påverkade kraften bara saker med tröghetsmassa, men allmän relativitet är annorlunda. Materiet vrider rymdtid, vilket innebär att saker som går i raka linjer tar olika vägar i närvaro av krökt rymdtid. Detta påverkar materia, men det påverkar också fotoner. När forskare observerade denna effekt blev det ett viktigt bevis på att Einsteins teori var korrekt.