Зміст
- TL; DR (Занадто довго; Не читав)
- Фотони не мають інерціальної маси і не мають релятивістської маси
- Фотони мають імпульс
- На світло впливає гравітація
Коли ви вперше почуєте це, думка про те, що світло може мати масу, може здатися смішною, але якщо вона не має маси, чому на світло впливає гравітація? Як могло б сказати, що щось без масовості має імпульс? Ці два факти про світло і «частинки світла», що називаються фотонами, можуть змусити вас задуматися. Це правда, що фотони не мають інерціальної чи релятивістської маси, але до історії є більше, ніж просто основна відповідь.
TL; DR (Занадто довго; Не читав)
Фотони не мають ні інерціальної маси, ні релятивістської маси. Експерименти продемонстрували, що фотони все ж мають силу. Спеціальна відносність пояснює цей ефект теоретично.
Гравітація впливає на фотони таким чином, як це впливає на матерію. Теорія гравітації Ньютона заборонила б це, але експериментальні результати, що підтверджують це, додають сильної підтримки теорії загальної відносності Ейнштейна.
Фотони не мають інерціальної маси і не мають релятивістської маси
Інерціальна маса - це маса, визначена другим законом Ньютона: а = Ж / м. Ви можете подумати про це як опір об'єкта прискоренню, коли застосовується сила. Фотони не мають такого опору і рухаються з найшвидшою можливою швидкістю через космос - близько 300 000 кілометрів в секунду.
Відповідно до теорії особливої відносності Ейнштейна, будь-який об’єкт з масою спокою набирає релятивістську масу в міру збільшення імпульсу, і якби щось досягало швидкості світла, воно мало б нескінченну масу. Отже, чи мають фотони нескінченну масу, оскільки вони рухаються зі швидкістю світла? Оскільки вони ніколи не відпочивають, то є сенс, що їх не можна вважати відпочиваючими. Без маси спокою його не можна збільшити, як інші релятивістські маси, і саме тому світло здатний так швидко подорожувати.
Це створює послідовний набір фізичних законів, які погоджуються з експериментами, тому фотони не мають релятивістської маси та інерціальної маси.
Фотони мають імпульс
Рівняння p = mv визначає класичний імпульс, де p є імпульс, м є маса і v швидкість. Це призводить до припущення, що фотони не можуть мати обертів, оскільки вони не мають маси. Однак такі результати, як відомі експерименти з розсіювання Комптона, свідчать про те, що вони дійсно мають імпульс, настільки заплутані, як здається. Якщо ви знімаєте фотони на електрон, вони розсіюються від електронів і втрачають енергію таким чином, що відповідає збереженню імпульсу. Це було одним із ключових даних, які вчені використовували для вирішення суперечки щодо того, чи світло поводилось як частинка, а іноді і хвиля.
Загальний енергетичний вираз Ейнштейна пропонує теоретичне пояснення, чому це правда:
Е2 = p2c2 + мвідпочинок2c2
У цьому рівнянні c являє собою швидкість світла і мвідпочинок - маса спокою. Однак фотони не мають спокійної маси. Це переписує рівняння як:
Е2 = p2c2
Або, простіше кажучи:
p = Е / c
Це показує, що фотони з вищою енергією мають більше імпульсу, як можна було б очікувати.
На світло впливає гравітація
Гравітація змінює хід світла так само, як вона змінює хід звичайної матерії. У теорії тяжіння Ньютона сила впливала лише на речі з інерційною масою, але загальна відносність відрізняється. Матерія викривляє космічний час, а це означає, що речі, що подорожують прямими лініями, проходять різними шляхами за наявності вигнутого простору часу. Це впливає на матерію, але також впливає на фотони. Коли вчені спостерігали цей ефект, це стало ключовим доказом того, що теорія Ейнштейна була правильною.