Onko fotoneilla massa?

Sisältö

• TL; DR (liian pitkä; ei lukenut)
• Fotoneilla ei ole inertiaa massaa eikä relativistista massaa
• Fotonilla on vauhtia
• Painovoima vaikuttaa valoon

Kun kuulet sen ensimmäisen kerran, ajatus siitä, että valolla voi olla massa, saattaa tuntua naurettavalta, mutta jos siinä ei ole massaa, miksi painovoima vaikuttaa valoon? Kuinka jonkin ilman massaa voitaisiin sanoa olevan vauhtia? Nämä kaksi valoa koskevaa tosiasiaa ja fotoneiksi kutsuttuja "valon hiukkasia" saattavat saada sinut ajattelemaan kahdesti. On totta, että fotoneilla ei ole inertiaalimassaa tai relativistista massaa, mutta tarinassa on enemmän kuin vain tämä perusvastaus.

TL; DR (liian pitkä; ei lukenut)

Fotonilla ei ole inertiaalimassaa eikä relativistista massaa. Kokeet ovat osoittaneet, että fotoneilla on kuitenkin vauhtia. Erityinen suhteellisuussuhde selittää tämän vaikutuksen teoreettisesti.

Painovoima vaikuttaa fotoneihin samalla tavalla kuin miten se vaikuttaa aineeseen. Newtonin painovoiman teoria kieltää tämän, mutta kokeelliset tulokset, jotka vahvistavat sen, lisäävät voimakasta tukea Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan.

Fotoneilla ei ole inertiaa massaa eikä relativistista massaa

Inertiaalimassa on Newtonin toisessa laissa määriteltyä massaa: = F / m. Voit ajatella tätä esineen vastus kiihtyvyydelle, kun voimaa kohdistetaan. Fotoneilla ei ole tällaista vastustusta ja ne kulkevat nopeimmalla mahdollisella nopeudella avaruuden läpi - noin 300 000 kilometriä sekunnissa.

Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian mukaan jokainen esine, jolla on lepomassa, saa relativistisen massan, kun se kasvaa vauhdissa, ja jos jotain saavuttaisi valon nopeuden, sillä olisi ääretön massa. Joten onko fotoneilla ääretön massa, koska ne kulkevat valon nopeudella? Koska he eivät koskaan tule levätä, on järkevää, että heitä ei voida pitää levossa. Ilman lepomassaa sitä ei voida lisätä kuten muita relativistisia massoja, ja siksi valo pystyy liikkumaan niin nopeasti.

Tämä tuottaa yhdenmukaisen joukon fyysisiä lakeja, jotka ovat yhtä mieltä kokeista, joten fotoneilla ei ole relativistista massaa eikä inertiaalimassaa.

Fotonilla on vauhtia

Yhtälö p = mv määrittelee klassisen vauhdin, missä p on vauhtia, m on massa ja v on nopeus. Tämä johtaa oletukseen, että fotoneilla ei voi olla vauhtia, koska niillä ei ole massaa. Kuitenkin tulokset, kuten kuuluisat Compton-sirontakokeet, osoittavat, että niillä on vauhtia, niin hämmentävää kuin miltä näyttää. Jos amput fotoneja elektronilla, ne sirontuvat elektronista ja menettävät energiaa tavalla, joka on vauhdin säilymisen mukainen. Tämä oli yksi tärkeimmistä todisteista, joita tutkijat käyttivät ratkaisemaan kiistan siitä, käyttäytyivätkö valot hiukkasten tapaan sekä aalto.

Einsteinin yleinen energiailmaisu tarjoaa teoreettisen selityksen miksi tämä on totta:

E² = p²C² + m_levätä²C²

Tässä yhtälössä C edustaa valon nopeutta ja m_levätä on loput massa. Fotoneilla ei kuitenkaan ole lepomassaa. Tämä kirjoittaa yhtälön seuraavasti:

E² = p²C²

Tai yksinkertaisemmin:

p = E / C

Tämä osoittaa, että korkeamman energian fotoneilla on enemmän vauhtia, kuten voisit odottaa.

Painovoima vaikuttaa valoon

Painovoima muuttaa valon kulkua samalla tavalla kuin se muuttaa tavallisen aineen kulkua. Newtonin painovoiman teoriassa voima vaikutti vain asioihin, joissa on inertiaalimassa, mutta yleinen suhteellisuusteoria on erilainen. Aine loimittaa avaruusajan, mikä tarkoittaa, että suorassa linjassa kulkevat asiat kulkevat eri reittejä kaarevan avaruusajan ollessa läsnä. Tämä vaikuttaa aineeseen, mutta vaikuttaa myös fotoneihin. Kun tutkijat havaitsivat tämän vaikutuksen, siitä tuli keskeinen todiste Einsteinin teorian paikkansapitävyydestä.