Sisu
- TL; DR (liiga pikk; ei lugenud)
- Fotonitel pole inertsiaalset massi ega relativistlikku massi
- Fotonid saavad hoogu juurde
- Gravitatsioon mõjutab valgust
Kui seda esimest korda kuulete, võib mõte, et valgus võiks omada massi, tunduda naeruväärne, kuid kui sellel pole massi, siis miks mõjutab gravitatsioon valgust? Kuidas saaks öelda, et midagi ilma massita saaks hoogu? Need kaks fakti valguse ja "valguse osakeste", mida nimetatakse footoniteks, võivad panna teid mõtlema kaks korda. On tõsi, et footonitel pole inertsiaalset või relativistlikku massi, kuid loos on midagi enamat kui lihtsalt see põhivastus.
TL; DR (liiga pikk; ei lugenud)
Footonitel pole inertsiaalset massi ega relativistlikku massi. Katsed on näidanud, et footonitel on siiski hoog. Spetsiaalne relatiivsus seletab seda efekti teoreetiliselt.
Gravitatsioon mõjutab footoneid sarnaselt sellega, kuidas see mõjutab ainet. Newtoni gravitatsiooniteooria keelaks selle, kuid seda kinnitavad eksperimentaalsed tulemused lisavad tugevat tuge Einsteini üldrelatiivsusteooriale.
Fotonitel pole inertsiaalset massi ega relativistlikku massi
Inertsiaalne mass on mass, nagu see on määratletud Newtoni teises seaduses: a = F / m. Võite seda mõelda kui objekti vastupidavust kiirendusele jõu rakendamisel. Fotonitel puudub selline vastupanu ja nad sõidavad kosmose kaudu võimalikult kiiresti - umbes 300 000 kilomeetrit sekundis.
Einsteini erirelatiivsusteooria kohaselt saab iga puhkemassiga objekt relativistlikku massi, kui selle hoog suureneb, ja kui miski peaks jõudma valguse kiirusele, oleks sellel lõpmatu mass. Kas footonitel on lõpmatu mass, kuna need liiguvad valguse kiirusel? Kuna nad ei tule kunagi puhkama, on mõistlik, et neid ei saaks pidada puhkemassiks. Ilma puhkemassita ei saa seda suurendada nagu teisi relativistlikke masse ja seetõttu on valgus võimeline nii kiiresti liikuma.
Nii saadakse järjepidev füüsikaliste seaduste komplekt, mis on katsetega nõus, seega pole footonitel relativistlikku massi ega inertsiaalset massi.
Fotonid saavad hoogu juurde
Võrrand lk = mv määratleb klassikalise impulsi, kus lk on hoog, m on mass ja v on kiirus. See viib oletuseni, et footonitel ei saa olla hoogu, kuna neil pole massit. Kuid sellised tulemused nagu kuulsad Comptoni hajumiskatsed näitavad, et neil on hoog, nii segane kui see tundub. Kui pildistate footoneid elektronis, hajuvad need elektronidest laiali ja kaotavad energiat viisil, mis on kooskõlas impulsi säilimisega. See oli üks peamisi tõendeid, mida teadlased kasutasid vaidluse lahendamiseks selle üle, kas valgus käitus nii osakese kui ka lainena.
Einsteini üldine energiaväljendus pakub teoreetilist selgitust, miks see nii on:
E2 = lk2c2 + mpuhata2c2
Selles võrrandis c tähistab valguse kiirust ja mpuhata on ülejäänud mass. Kuid footonitel pole puhkemassi. Sellega kirjutatakse võrrand ümber järgmiselt:
E2 = lk2c2
Või lihtsamalt öeldes:
lk = E / c
See näitab, et kõrgema energiaga footonitel on rohkem hoogu, nagu võiks arvata.
Gravitatsioon mõjutab valgust
Gravitatsioon muudab valguse kulgu samamoodi nagu tavalise mateeria kulgu. Newtoni gravitatsiooniteoorias mõjutas jõud ainult inertsiaalse massiga asju, kuid üldine relatiivsus on erinev. Aine väänab kosmoseaega, mis tähendab, et sirgjooneliselt kulgevad asjad kõverdatud kosmoseaja olemasolul erinevad teed. See mõjutab ainet, kuid mõjutab ka footoneid. Kui teadlased seda efekti täheldasid, sai see peamiseks tõendiks Einsteini teooria õigsuse kohta.