science >> Wetenschap >  >> Fysica

Hebben fotonen massa?

Wanneer je het voor het eerst hoort, lijkt het idee dat licht massa kan hebben belachelijk, maar als het geen massa heeft, waarom wordt licht dan beïnvloed door zwaartekracht? Hoe kan worden gezegd dat iets zonder massa momentum heeft? Deze twee feiten over licht en de 'lichtdeeltjes' die fotonen worden genoemd, kunnen je twee keer laten nadenken. Het is waar dat fotonen geen traagheidsmassa of relativistische massa hebben, maar er is meer aan de hand dan alleen dat basisantwoord.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

Fotonen hebben geen traagheidsmassa en geen relativistische massa. Experimenten hebben echter aangetoond dat fotonen een impuls hebben. Speciale relativiteitstheorie verklaart dit effect theoretisch.

Zwaartekracht beïnvloedt fotonen op dezelfde manier als materie. De zwaartekrachttheorie van Newton zou dit verbieden, maar experimentele resultaten bevestigen dat het een sterke ondersteuning biedt voor de algemene relativiteitstheorie van Einstein.
Fotonen hebben geen inerte massa en geen relativistische massa

Inertiale massa is de massa zoals gedefinieerd door Newton tweede wet: a
\u003d F
/ m
. Je kunt dit zien als de weerstand van het object tegen versnelling wanneer een kracht wordt uitgeoefend. Fotonen hebben zo'n weerstand niet en reizen met de snelst mogelijke snelheid door de ruimte - ongeveer 300.000 kilometer per seconde.

Volgens de speciale relativiteitstheorie van Einstein wint elk object met rustmassa relativistische massa naarmate het toeneemt, en als iets de snelheid van het licht zou bereiken, zou het oneindige massa hebben. Hebben fotonen dus een oneindige massa omdat ze met de snelheid van het licht reizen? Omdat ze nooit tot rust komen, is het logisch dat ze niet kunnen worden beschouwd als rustmassa. Zonder een rustmassa kan het niet worden verhoogd zoals andere relativistische massa's, en dit is de reden waarom licht zo snel kan reizen.

Dit produceert een consistente set van fysieke wetten die overeenkomen met experimenten, dus fotonen hebben geen relativistische massa en geen traagheidsmassa.
Fotonen hebben momentum

De vergelijking p
\u003d mv
definieert klassiek momentum, waarbij p
is momentum, m
is massa en v
is snelheid. Dit leidt tot de veronderstelling dat fotonen geen momentum kunnen hebben omdat ze geen massa hebben. Resultaten zoals de beroemde Compton Scattering-experimenten laten echter zien dat ze momentum hebben, hoe verwarrend dat ook lijkt. Als je fotonen op een elektron schiet, verspreiden ze zich van de elektronen en verliezen ze energie op een manier die consistent is met het behoud van momentum. Dit was een van de belangrijkste bewijsstukken die wetenschappers gebruikten om het geschil te beslechten over de vraag of licht zich soms zowel als een deeltje als een golf gedroeg.

Einsteins algemene energie-uitdrukking biedt een theoretische verklaring waarom dit waar is:

E

2

\u003d p
2 c
2 + m
rest 2 c
2

In deze vergelijking is c
staat voor de snelheid van het licht en m
rest is de rustmassa. Fotonen hebben echter geen rustmassa. Dit herschrijft de vergelijking als:

E

2

\u003d p
< sup> 2 c
2

Of, eenvoudiger:

p

\u003d E
/ c

Dit laat zien dat fotonen met een hogere energie meer vaart hebben, zoals je zou verwachten.
Licht wordt beïnvloed door zwaartekracht

Zwaartekracht verandert het verloop van licht op dezelfde manier als het de loop van de gewone materie verandert. In de zwaartekrachttheorie van Newton beïnvloedde de kracht alleen dingen met traagheidsmassa, maar de algemene relativiteitstheorie is anders. Materie vervormt ruimtetijd, wat betekent dat dingen die in rechte lijnen reizen verschillende paden volgen in de aanwezigheid van gebogen ruimtetijd. Dit beïnvloedt materie, maar het beïnvloedt ook fotonen. Toen wetenschappers dit effect zagen, werd het een belangrijk bewijs dat de theorie van Einstein correct was.