Inhoud
- TL; DR (te lang; niet gelezen)
- Fotonen hebben geen inerte massa en geen relativistische massa
- Fotonen hebben momentum
- Licht wordt beïnvloed door zwaartekracht
Als 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 het verhaal is meer 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. Newtons zwaartekrachttheorie zou dit verbieden, maar experimentele resultaten bevestigen dat het een krachtige ondersteuning biedt voor Einsteins algemene relativiteitstheorie.
Fotonen hebben geen inerte massa en geen relativistische massa
Inertiale massa is de massa zoals gedefinieerd door de tweede wet van Newton: een = 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 hoogst 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 in kracht stijgt, 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 fysische wetten die overeenkomen met experimenten, dus fotonen hebben geen relativistische massa en geen traagheidsmassa.
Fotonen hebben momentum
De vergelijking p = mv definieert klassiek momentum, waar 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, zo verwarrend als dat 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.
De algemene energie-expressie van Einstein biedt een theoretische verklaring waarom dit waar is:
E2 = p2c2 + mrust uit2c2
In deze vergelijking c vertegenwoordigt de snelheid van het licht en mrust uit is de rest massa. Fotonen hebben echter geen rustmassa. Dit herschrijft de vergelijking als:
E2 = p2c2
Of, eenvoudiger:
p = E / c
Dit laat zien dat fotonen met een hogere energie meer momentum hebben, zoals je zou verwachten.
Licht wordt beïnvloed door zwaartekracht
Zwaartekracht verandert de loop van het licht op dezelfde manier als de loop van de gewone materie. In de zwaartekrachttheorie van Newton had de kracht alleen invloed op dingen met een 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.