Har fotoner masse?

Indhold

• TL; DR (for lang; læste ikke)
• Fotoner har ingen inertial masse og ingen relativ masse
• Fotoner har fart
• Lys påvirkes af tyngdekraften

Når du først hører det, kan ideen om, at lys kan have masse, virke latterlig, men hvis det ikke har masse, hvorfor påvirkes lys af tyngdekraften? Hvordan kunne der siges, at noget uden masse har fart? Disse to fakta om lys og ”lyspartikler” kaldet fotoner kan få dig til at tænke to gange. Det er sandt, at fotoner ikke har treghedsmasse eller relativistisk masse, men der er mere til historien end bare det grundlæggende svar.

TL; DR (for lang; læste ikke)

Fotoner har ingen inertial masse og ingen relativistisk masse. Eksperimenter har imidlertid vist, at fotoner dog har fart. Speciel relativitet forklarer denne effekt teoretisk.

Tyngdekraften påvirker fotoner på en måde, der ligner, hvordan det påvirker stof. Newtons teori om tyngdekraft ville forbyde dette, men eksperimentelle resultater, der bekræfter det, tilføjer stærk støtte til Einsteins teori om generel relativitet.

Fotoner har ingen inertial masse og ingen relativ masse

Træningsmasse er massen som defineret i Newtons anden lov: -en = F / m. Du kan tænke på dette som objektets modstand mod acceleration, når der udøves en kraft. Fotoner har ingen sådan modstand og kører med den hurtigste hastighed som muligt gennem rummet - cirka 300.000 kilometer i sekundet.

I henhold til Einsteins teori om speciel relativitet, får ethvert objekt med hvilemasse relativistisk masse, når det øges i fart, og hvis noget skulle nå lysets hastighed, ville det have uendelig masse. Så har fotoner uendelig masse, fordi de kører med lysets hastighed? Da de aldrig kommer til at hvile, giver det mening at de ikke kan betragtes som en hvilemasse. Uden en hvilemasse kan det ikke øges som andre relativistiske masser, og det er derfor, lys er i stand til at rejse så hurtigt.

Dette frembringer et konsistent sæt fysiske love, der stemmer overens med eksperimenter, så fotoner har ingen relativistisk masse og ingen treghedsmasse.

Fotoner har fart

Ligningen p = mv definerer klassisk momentum, hvor p er momentum, m er masse og v er hastighed. Dette fører til antagelsen af, at fotoner ikke kan have fart, fordi de ikke har masse. Resultater som f.eks. De berømte Compton Scattering-eksperimenter viser, at de har fart, så forvirrende som det ser ud til. Hvis du skyder fotoner på en elektron, spreder de sig fra elektronerne og mister energi på en måde, der er i overensstemmelse med bevarelsen af ​​momentum. Dette var en af ​​de vigtigste beviser, som videnskabsmænd brugte til at bilægge tvisten om, hvorvidt lys opførte sig som en partikel såvel som en bølge undertiden.

Einsteins generelle energiudtryk tilbyder en teoretisk forklaring på, hvorfor dette er sandt:

E² = p²c² + m_hvile²c²

I denne ligning c repræsenterer lysets hastighed og m_hvile er resten masse. Fotoner har dog ikke hvilemasse. Dette omskriver ligningen som:

E² = p²c²

Eller mere enkelt:

p = E / c

Dette viser, at fotoner med højere energi har større momentum, som du kunne forvente.

Lys påvirkes af tyngdekraften

Tyngdekraften ændrer lysforløbet på samme måde som det ændrer forløbet af almindelig stof. I Newtons teori om tyngdekraft påvirkede kraften kun ting med inertial masse, men den generelle relativitet er anderledes. Materie varper rumtid, hvilket betyder, at ting, der kører i lige linjer, tager forskellige stier i nærvær af buet rumtid. Dette påvirker stof, men det påvirker også fotoner. Da forskere observerede denne effekt, blev det et vigtigt bevis på, at Einsteins teori var korrekt.