Har fotoner masser?

Når du først hører det, kunne ideen om, at lys kunne have masse, være latterligt, men hvis det ikke har masse, hvorfor er lys påvirket af tyngdekraften? Hvordan kunne noget uden masse siges at have fart? Disse to fakta om lys og "lysets partikler", der kaldes fotoner, kan få dig til at tænke to gange. Det er rigtigt, at fotoner ikke har trægmasse eller relativistisk masse, men der er mere til historien end blot det grundlæggende svar.

TL; DR (for længe, ​​ikke læst)

Fotoner har ingen inertiemasse og ingen relativistisk masse. Eksperimenter har vist, at fotoner har fart, dog. Special relativitet forklarer denne effekt teoretisk.

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

Fotoner har ingen inertiemasse og ingen relativistisk masse

Træthedsmasse er massen som defineret af Newtons anden lov: a
= F
/ m
. Du kan tænke på dette som objektets modstandsdygtighed mod acceleration, når en kraft påføres. Fotoner har ingen sådan modstand og rejser med den hurtigste hastighed muligt gennem rummet - omkring 300.000 kilometer i sekundet.

Ifølge Einsteins teori om speciel relativitet får ethvert objekt med hvilemasse vinder relativistisk masse, som det øger i fart, og hvis noget skulle nå lysets hastighed, ville det have uendelig masse. Så har fotoner uendelig masse, fordi de rejser med lysets hastighed? Da de aldrig kommer til ro, er det fornuftigt, at de ikke kan anses for at have hvilemasse. Uden en hvilemasse kan den ikke øges som andre relativistiske masser, og derfor er lyset i stand til at rejse så hurtigt.

Dette skaber et konsekvent sæt fysiske love, som er enige med eksperimenter, så fotoner har ingen relativistisk masse og ingen inertiemasse.

Foton har Momentum

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


Einsteins generelle energigenkendelse giver en teoretisk forklaring på, hvorfor dette er sandt:

E

<sup>2

= p
2 c
2 + m
_{hvile 2 c
2}</sup>

I denne ligning c
repræsenterer lysets hastighed og m
_{resten er resten massen. Fotoner har imidlertid ikke hvilemasse. Dette omskriver ligningen som:}

E

<sup>2

= p
< sup> 2 c
2</sup>

Eller mere enkelt:

p

= E
/ c

Dette viser, at højere energi fotoner har mere momentum, som du ville forvente.

Lys er påvirket af tyngdekraften

Gravity ændrer lysets gang på samme måde som det ændrer det normale forhold. I Newtons tyngdeorientering påvirker kraften kun ting med inertiemasse, men generel relativitet er anderledes. Matter forkaster rumtid, hvilket betyder, at ting, der rejser i lige linjer, tager forskellige veje i nærværelse af buet rumtid. Dette påvirker sagen, men det påvirker også fotoner. Da forskerne så denne effekt, blev det et centralt bevis på, at Einsteins teori var korrekt.