Ali imajo fotoni maso?

Vsebina

• TL; DR (Predolgo; Nisem prebral)
• Fotoni nimajo nobene inertivne mase in nobene relativistične mase
• Fotoni imajo zagon
• Svetloba vpliva na težo

Ko prvič slišite, se vam lahko zdi, da bi lahko svetloba imela maso, smešna, če pa nima mase, zakaj na svetlobo vpliva gravitacija? Kako bi lahko rekli, da ima nekaj brez mase zagon? Zaradi teh dveh dejstev o svetlobi in "delcih svetlobe", ki se imenujeta fotoni, bi se lahko dvakrat premislili. Res je, da fotoni nimajo inercialne mase ali relativistične mase, toda zgodba je več kot le osnovni odgovor.

TL; DR (Predolgo; Nisem prebral)

Fotoni nimajo inercialne mase in nobene relativistične mase. Poskusi so pokazali, da imajo fotoni zagon. Posebna relativnost ta učinek razloži teoretično.

Gravitacija vpliva na fotone na podoben način, kot vpliva na materijo. Newtonova teorija gravitacije bi to prepovedala, vendar eksperimentalni rezultati, ki to potrjujejo, dodajajo močno podporo Einsteinovi teoriji splošne relativnosti.

Fotoni nimajo nobene inertivne mase in nobene relativistične mase

Inercijska masa je masa, kot jo določa drugi zakon Newtona: a = F / m. To si lahko predstavljate kot odpornost objekta proti pospeševanju, ko se uporabi sila. Fotoni nimajo takšnega upora in potujejo z najhitrejšo možno hitrostjo skozi vesolje - približno 300.000 kilometrov na sekundo.

Po Einsteinovi teoriji posebne relativnosti vsak predmet s počivalno maso pridobi relativistično maso, ko se poveča v zagonu, in če bi nekaj doseglo hitrost svetlobe, bi imelo neskončno maso. Ali imajo fotoni neskončno maso, ker potujejo s svetlobno hitrostjo? Ker se nikoli ne spočijejo, je smiselno, da se jim ne bi zdelo, da imajo počitek. Brez počitniške mase je ni mogoče povečati kot druge relativistične mase, zato je svetloba sposobna potovati tako hitro.

Tako nastane skladen niz fizičnih zakonov, ki se strinjajo s poskusi, zato fotoni nimajo relativistične mase in ne inercialne mase.

Fotoni imajo zagon

Enačba str = mv definira klasični zagon, kje str je zagon, m je masa in v je hitrost. To vodi k domnevi, da fotoni ne morejo biti zagon, ker nimajo mase. Vendar pa rezultati, kot so znani poskusi Compton Scatteringa, kažejo, da imajo zagon, enako zmeden, kot se zdi. Če fotografirate fotone na elektron, se ti razkropijo od elektronov in izgubijo energijo na način, ki je skladen z ohranjanjem zagona. To je bil eden ključnih dokazov, ki so jih znanstveniki uporabili pri reševanju spora glede tega, ali se svetloba obnaša kot delček in včasih kot val.

Splošni energijski izraz Einsteina ponuja teoretično razlago, zakaj je to res:

E² = str²c² + m_počivaj²c²

V tej enačbi oz. c predstavlja hitrost svetlobe in m_počivaj je preostala masa. Vendar fotoni nimajo mase počitka. To enačbo zapiše kot:

E² = str²c²

Ali bolj preprosto:

str = E / c

To kaže, da imajo visokoenergijski fotoni več zagona, kot bi pričakovali.

Svetloba vpliva na težo

Gravitacija spremeni tok svetlobe na enak način, kot spreminja potek običajne snovi. V Newtonovi teoriji gravitacije je sila vplivala le na stvari z inercijsko maso, splošna relativnost pa je drugačna. Zadeva oblikuje vesoljski čas, kar pomeni, da stvari, ki potujejo po ravnih črtah, vodijo različne poti ob prisotnosti ukrivljenega vesolja. To vpliva na materijo, vpliva pa tudi na fotone. Ko so znanstveniki opazili ta učinek, je to postal ključni dokaz, da je bila Einsteinova teorija pravilna.