เมื่อคุณได้ยินมันครั้งแรก ความคิดที่ว่าแสงอาจมีมวลอาจดูไร้สาระ แต่ถ้าไม่มีมวล ทำไมแสงถึงได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วง บางสิ่งที่ไม่มีมวลสามารถกล่าวได้อย่างไรว่ามีโมเมนตัม? ข้อเท็จจริงสองข้อนี้เกี่ยวกับแสงและ “อนุภาคของแสง” ที่เรียกว่าโฟตอนอาจทำให้คุณคิดซ้ำสอง เป็นความจริงที่โฟตอนไม่มีมวลเฉื่อยหรือมวลสัมพัทธภาพ แต่มีเรื่องราวมากกว่าคำตอบพื้นฐานนั้น
ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)
โฟตอนไม่มีมวลเฉื่อยและไม่มีมวลสัมพัทธภาพ การทดลองแสดงให้เห็นว่าโฟตอนมีโมเมนตัมแม้ว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษอธิบายผลกระทบนี้ในทางทฤษฎี
แรงโน้มถ่วงส่งผลต่อโฟตอนในลักษณะเดียวกับที่ส่งผลต่อสสาร ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันจะห้ามสิ่งนี้ แต่ผลการทดลองยืนยันว่ามันสนับสนุนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์อย่างมาก
โฟตอนไม่มีมวลเฉื่อยและไม่มีมวลสัมพัทธภาพ
มวลเฉื่อยคือมวลตามที่กำหนดโดยกฎข้อที่สองของนิวตัน: = F / ม. คุณอาจมองว่านี่เป็นการต้านทานต่อความเร่งของวัตถุเมื่อใช้แรง โฟตอนไม่มีความต้านทานดังกล่าวและเดินทางด้วยความเร็วที่เร็วที่สุดที่เป็นไปได้ในอวกาศ - ประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที
ตามทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ วัตถุใดๆ ที่มีมวลอยู่นิ่งจะได้มวลสัมพัทธภาพ เมื่อมันเพิ่มขึ้นในโมเมนตัม และหากมีสิ่งใดไปถึงความเร็วแสง มันก็จะมีอนันต์ มวล. โฟตอนมีมวลอนันต์เพราะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงหรือไม่? เนื่องจากพวกเขาไม่เคยมาพักผ่อน จึงไม่ถือว่าพวกเขาได้พักผ่อน หากไม่มีมวลพัก จะไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้เช่นเดียวกับมวลเชิงสัมพัทธภาพอื่นๆ และด้วยเหตุนี้แสงจึงสามารถเดินทางได้อย่างรวดเร็ว
ทำให้เกิดชุดกฎฟิสิกส์ที่สอดคล้องกันซึ่งสอดคล้องกับการทดลอง ดังนั้นโฟตอนจึงไม่มีมวลสัมพัทธภาพและไม่มีมวลเฉื่อย
โฟตอนมีโมเมนตัม
สมการพี = mvกำหนดโมเมนตัมคลาสสิกโดยที่พีคือโมเมนตัมมเป็นมวลและวีคือความเร็ว สิ่งนี้นำไปสู่ข้อสันนิษฐานว่าโฟตอนไม่สามารถมีโมเมนตัมได้เนื่องจากไม่มีมวล อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์ เช่น การทดลอง Compton Scattering ที่มีชื่อเสียง แสดงให้เห็นว่าพวกมันมีโมเมนตัม สับสนอย่างที่เห็น หากคุณยิงโฟตอนไปที่อิเล็กตรอน พวกมันจะกระจายออกจากอิเล็กตรอนและสูญเสียพลังงานไปในลักษณะที่สอดคล้องกับการอนุรักษ์โมเมนตัม นี่เป็นหนึ่งในหลักฐานสำคัญที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการระงับข้อพิพาทว่าแสงมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาคและคลื่นในบางครั้งหรือไม่
การแสดงออกของพลังงานทั่วไปของ Einstein ให้คำอธิบายทางทฤษฎีว่าทำไมสิ่งนี้ถึงเป็นจริง:
E^2=p^2c^2+m_{ส่วนที่เหลือ}^2c^2
ในสมการนี้คแทนความเร็วแสงและมพักผ่อน คือมวลที่เหลือ อย่างไรก็ตาม โฟตอนไม่มีมวลพัก สิ่งนี้จะเขียนสมการใหม่เป็น:
E^2=p^2c^2
หรือง่ายกว่านี้:
p=\frac{E}{c}
นี่แสดงให้เห็นว่าโฟตอนพลังงานสูงมีโมเมนตัมมากกว่าอย่างที่คุณคาดไว้
แสงได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วง
แรงโน้มถ่วงเปลี่ยนวิถีของแสงในลักษณะเดียวกับที่เปลี่ยนวิถีของสสารธรรมดา ในทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตัน แรงมีผลกับวัตถุที่มีมวลเฉื่อยเท่านั้น แต่ทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นแตกต่างกัน สสารแปรปรวนกาลอวกาศ ซึ่งหมายความว่าสิ่งต่าง ๆ ที่เดินทางเป็นเส้นตรงใช้เส้นทางที่แตกต่างกันเมื่อมีกาลอวกาศโค้ง สิ่งนี้ส่งผลกระทบต่อสสาร แต่ก็ส่งผลกระทบต่อโฟตอนด้วย เมื่อนักวิทยาศาสตร์สังเกตผลกระทบนี้ ก็กลายเป็นหลักฐานชิ้นสำคัญที่แสดงว่าทฤษฎีของไอน์สไตน์ถูกต้อง