Conţinut
- TL; DR (Prea lung; nu a citit)
- Fotonii nu au o masă inerțială și nici o masă relativă
- Fotonii au moment
- Lumina este afectată de gravitate
Când o auzi prima dată, ideea că lumina ar putea avea masă poate părea ridicolă, dar dacă nu are masă, de ce este lumina afectată de gravitație? Cum s-ar putea spune că ceva fără masă are un impuls? Aceste două fapte despre lumină și despre „particulele de lumină” numite fotoni s-ar putea să vă facă să vă gândiți de două ori. Este adevărat că fotonii nu au o masă inerțială sau o masă relativistă, dar în poveste există mai mult decât doar acel răspuns de bază.
TL; DR (Prea lung; nu a citit)
Fotonii nu au o masă inerțială și nici o masă relativistă. Experimentele au demonstrat însă că fotonii au un impuls. Relativitatea specială explică teoretic acest efect.
Gravitatea afectează fotonii într-un mod similar cu modul în care afectează materia. Teoria gravitației lui Newton ar interzice acest lucru, dar rezultatele experimentale care confirmă că adaugă un sprijin puternic pentru teoria relativității generale a lui Einstein.
Fotonii nu au o masă inerțială și nici o masă relativă
Masa inerțială este masa definită de a doua lege a lui Newton: A = F / m. Vă puteți gândi la acesta ca la rezistența obiectului la accelerare atunci când se aplică o forță. Fotonii nu au o astfel de rezistență și călătoresc cu cea mai rapidă viteză posibilă prin spațiu - aproximativ 300.000 de kilometri pe secundă.
Conform teoriei relativității speciale a lui Einstein, orice obiect cu masă de repaus câștigă masă relativistă pe măsură ce crește în moment și, dacă ceva ar atinge viteza luminii, ar avea o masă infinită. Deci fotonii au o masă infinită pentru că călătoresc cu viteza luminii? Deoarece nu se odihnesc niciodată, este logic că nu ar putea fi considerate ca având masa de odihnă. Fără o masă de odihnă, aceasta nu poate fi crescută ca și alte mase relativiste și de aceea lumina este capabilă să călătorească atât de repede.
Aceasta produce un set consistent de legi fizice care sunt de acord cu experimentele, astfel încât fotonii nu au o masă relativistă și nici o masă inerțială.
Fotonii au moment
Ecuația p = mv definește momentul clasic, unde p este impuls, m este masă și v este viteza. Acest lucru duce la presupunerea că fotonii nu pot avea impuls pentru că nu au masă. Cu toate acestea, rezultate precum celebrele experimente Compton Scattering arată că au un impuls, la fel de confuz pe cât pare. Dacă trageți fotoni la un electron, ei se împrăștie din electroni și își pierd energia într-un mod consecvent cu conservarea impulsului. Aceasta a fost una dintre elementele cheie ale probelor pe care oamenii de știință le-au folosit pentru a rezolva disputa cu privire la faptul dacă lumina s-a comportat ca o particulă, precum și ca un val uneori.
Expresia generală a energiei Einstein oferă o explicație teoretică a motivului pentru care acest lucru este adevărat:
E2 = p2c2 + modihnă2c2
În această ecuație, c reprezintă viteza luminii și modihnă este masa de odihnă. Cu toate acestea, fotonii nu au masă de odihnă. Aceasta rescrie ecuația ca:
E2 = p2c2
Sau, mai simplu:
p = E / c
Acest lucru arată că fotonii cu energie mai mare au un impuls mai mare, așa cum vă așteptați.
Lumina este afectată de gravitate
Gravitatea modifică cursul luminii în același mod în care alterează cursul materiei obișnuite. În teoria gravitației lui Newton, forța a afectat lucrurile doar cu masa inerțială, dar relativitatea generală este diferită. Materia deformează spațiul timpului, ceea ce înseamnă că lucrurile care călătoresc în linii drepte iau căi diferite în prezența timpului curb. Acest lucru afectează materia, dar afectează și fotonii. Când oamenii de știință au observat acest efect, a devenit o dovadă cheie că teoria lui Einstein era corectă.