Innehåll
- TL; DR (för lång; läste inte)
- Fotoner har ingen tröghetsmassa och ingen relativ massa
- Fotoner har fart
- Ljus påverkas av gravitationen
När du först hör det kan tanken att ljus kan ha massa verka löjlig, men om det inte har massa, varför påverkas ljuset av tyngdkraften? Hur kan något utan massa sägas ha fart? Dessa två fakta om ljus och de "ljuspartiklar" som kallas fotoner kan få dig att tänka två gånger. Det är sant att fotoner inte har tröghetsmassa eller relativistisk massa, men det finns mer i berättelsen än bara det grundläggande svaret.
TL; DR (för lång; läste inte)
Fotoner har ingen tröghetsmassa och ingen relativistisk massa. Experiment har dock visat att fotoner har fart, dock. Speciell relativitet förklarar denna effekt teoretiskt.
Graviteten påverkar fotoner på ett sätt som liknar hur det påverkar materien. Newtons gravitationsteori skulle förbjuda detta, men experimentella resultat som bekräftar det ger starkt stöd för Einsteins teori om allmän relativitet.
Fotoner har ingen tröghetsmassa och ingen relativ massa
Tröghetsmassa är massan enligt Newtons andra lag: en = F / m. Du kan tänka på detta som objektets motstånd mot acceleration när en kraft appliceras. Fotoner har inget sådant motstånd och går med den snabbaste hastigheten som möjligt genom rymden - cirka 300 000 kilometer per sekund.
Enligt Einsteins teori om speciell relativitet får varje objekt med vilamassa relativistisk massa när det ökar i fart, och om något skulle nå ljusets hastighet skulle det ha oändlig massa. Så har fotoner oändlig massa eftersom de reser med ljusets hastighet? Eftersom de aldrig vilar, är det meningsfullt att de inte kunde anses ha vilamassa. Utan vilamassa kan det inte ökas som andra relativistiska massor, och det är därför ljuset kan resa så snabbt.
Detta ger en konsekvent uppsättning fysiska lagar som överensstämmer med experiment, så fotoner har ingen relativistisk massa och ingen tröghetsmassa.
Fotoner har fart
Ekvationen p = mv definierar klassisk fart, var p är fart, m är massa och v är hastighet. Detta leder till antagandet att fotoner inte kan ha fart eftersom de inte har massa. Men resultat som de berömda Compton Scattering-experimenten visar att de har fart, så förvirrande som det verkar. Om du skjuter fotoner på en elektron sprids de från elektronerna och förlorar energi på ett sätt som är förenligt med bevarande av fart. Detta var en av de viktigaste bevisen som forskare använde för att lösa tvisten om ljus uppförde sig som en partikel såväl som en våg ibland.
Einsteins allmänna energiuttryck erbjuder en teoretisk förklaring av varför detta är sant:
E2 = p2c2 + mresten2c2
I denna ekvation c representerar ljusets hastighet och mresten är resten. Fotoner har dock inte vila. Detta skriver om ekvationen som:
E2 = p2c2
Eller, mer enkelt:
p = E / c
Detta visar att fotoner med högre energi har mer fart, som du kan förvänta dig.
Ljus påverkas av gravitationen
Tyngdkraften förändrar ljusets gång på samma sätt som den förändrar kursen för vanlig materia. I Newtons teori om tyngdkraft påverkade kraften bara saker med tröghetsmassa, men allmän relativitet är annorlunda. Matter varper rymdtid, vilket innebär att saker som reser i raka linjer tar olika vägar i närvaro av böjd rymdtid. Detta påverkar materien, men det påverkar också fotoner. När forskare observerade denna effekt blev det ett viktigt bevis på att Einsteins teori var korrekt.