Innhold
- TL; DR (for lang; ikke lest)
- Fotoner har ingen treghetsmasse og ingen relativ masse
- Fotoner har fart
- Lys påvirkes av tyngdekraften
Når du først hører det, kan ideen om at lys kan ha masse virke latterlig, men hvis det ikke har masse, hvorfor påvirkes lys av tyngdekraften? Hvordan kunne noe uten masse sies å ha fart? Disse to faktaene om lys og "lyspartiklene" som kalles fotoner kan få deg til å tenke deg om to ganger. Det er sant at fotoner ikke har treghetsmasse eller relativistisk masse, men det er mer til historien enn bare det grunnleggende svaret.
TL; DR (for lang; ikke lest)
Fotoner har ingen treghetsmasse og ingen relativistisk masse. Eksperimenter har imidlertid vist at fotoner har fart. Spesiell relativitet forklarer denne effekten teoretisk.
Tyngdekraften påvirker fotoner på en måte som ligner på hvordan den påvirker materien. Newtons gravitasjonsteori ville forby dette, men eksperimentelle resultater som bekrefter det gir sterk støtte for Einsteins teori om generell relativitet.
Fotoner har ingen treghetsmasse og ingen relativ masse
Treghetsmasse er massen som definert av Newtons andre lov: en = F / m. Du kan tenke på dette som objektets motstand mot akselerasjon når en kraft blir påført. Fotoner har ingen slik motstand og kjører i raskest mulig hastighet gjennom verdensrommet - rundt 300 000 kilometer i sekundet.
I følge Einsteins teori om spesiell relativitet, får ethvert objekt med hvilemasse relativistisk masse når den øker i fart, og hvis noe skulle nå lysets hastighet, ville det ha uendelig masse. Så har fotoner uendelig masse fordi de reiser med lysets hastighet? Siden de aldri kommer til å hvile, er det fornuftig at de ikke kan anses å ha hvilemasse. Uten en hvilemasse kan den ikke økes som andre relativistiske masser, og dette er grunnen til at lys er i stand til å reise så raskt.
Dette produserer et konsistent sett med fysiske lover som stemmer overens med eksperimenter, så fotoner har ingen relativistisk masse og ingen treghetsmasse.
Fotoner har fart
Ligningen p = mv definerer klassisk fart, hvor p er momentum, m er masse og v er fart. Dette fører til antagelsen at fotoner ikke kan ha fart fordi de ikke har masse. Resultater som de berømte Compton Scattering-eksperimentene viser imidlertid at de har fart, så forvirrende som det virker. Hvis du skyter fotoner på et elektron, sprer de seg fra elektronene og mister energi på en måte som er i samsvar med bevaring av momentum. Dette var en av de viktigste dokumentasjonene forskere brukte til å avgjøre tvisten om lys oppførte seg som en partikkel så vel som en bølge noen ganger.
Einsteins generelle energiuttrykk tilbyr en teoretisk forklaring på hvorfor dette stemmer:
E2 = p2c2 + mhvile2c2
I denne ligningen c representerer lysets hastighet og mhvile er hvilemassen. Fotoner har imidlertid ikke hvilemasse. Denne omskriver ligningen som:
E2 = p2c2
Eller enklere:
p = E / c
Dette viser at fotoner med høyere energi har mer fart, som du kan forvente.
Lys påvirkes av tyngdekraften
Tyngdekraften endrer lysforløpet på samme måte som det endrer løpet av vanlig materie. I Newtons teori om tyngdekraft påvirket styrken bare ting med treghetsmasse, men generell relativitet er annerledes. Materie varper romtid, noe som betyr at ting som ferdes i rette linjer tar forskjellige stier i nærvær av buet romtid. Dette påvirker materien, men det påvirker også fotoner. Da forskere observerte denne effekten, ble det et sentralt bevis på at Einsteins teori var riktig.