תוֹכֶן
- TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)
- לפוטונים אין מסה אינרציאלית ולא מסתה יחסית
- פוטונים בעלי תנופה
- האור מושפע מכוח הכבידה
כששומעים אותו לראשונה, הרעיון שלאור יכול להיות בעל מסה עשוי להיראות מגוחך, אבל אם אין לו מסה, מדוע האור מושפע מכוח הכבידה? איך אפשר לומר שמשהו בלי המוני יש תנופה? שתי עובדות אלה על אור ו"חלקיקי האור "המכונים פוטונים עשויים לגרום לך לחשוב פעמיים. נכון שלפוטונים אין מסה אינרציאלית או מסה רלטיבית, אבל יש בסיפור יותר מסתם תשובה בסיסית זו.
TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)
לפוטונים אין מסה אינרציאלית ואין מסה רלטיבית. ניסויים הראו שלפוטונים יש מומנטום. יחסיות מיוחדת מסבירה אפקט זה באופן תיאורטי.
כוח המשיכה משפיע על פוטונים באופן הדומה לאופן בו הוא משפיע על החומר. תיאוריית הכובד של ניוטון אוסרת זאת, אך תוצאות ניסוי המאשרות זאת מוסיפות תמיכה חזקה בתיאוריית היחסות הכללית של איינשטיין.
לפוטונים אין מסה אינרציאלית ולא מסתה יחסית
מסה אינרציאלית היא המסה כפי שהוגדרה בחוק השני של ניוטון: א = ו / M. אתה יכול לחשוב על זה כעל ההתנגדות של האובייקט לתאוצה בעת הפעלת כוח. לפוטונים אין התנגדות כזו ונוסעים במהירות המהירה ביותר האפשרית בחלל - כ -300,000 ק"מ לשנייה.
על פי תיאוריית היחסות המיוחדת של איינשטיין, כל אובייקט עם מסת מנוחה צובר מסה רלטיבית ככל שהוא מתגבר במומנטום, ואם משהו היה מגיע למהירות האור, היה לו מסה אינסופית. אז, האם לפוטונים יש מסה אינסופית מכיוון שהם נעים במהירות האור? מכיוון שהם אף פעם לא מגיעים למנוחה, הגיוני שלא ניתן להחשיב אותם כמסת מנוחה. ללא מסת המנוחה, לא ניתן להגדיל אותו כמו המוני יחסות אחרים, וזו הסיבה שאור מסוגל לנסוע כל כך מהר.
זה מייצר מערכת עקבית של חוקים פיזיים המסכימים עם ניסויים, כך שלפוטונים אין מסה רלטיבית ולא מסה אינרציאלית.
פוטונים בעלי תנופה
המשוואה ע = mv מגדיר את המומנטום הקלאסי, היכן ע זה תנופה, M הוא המוני ו v זה מהירות. זה מוביל להנחה שפוטונים לא יכולים לקבל תנופה מכיוון שאין להם מסה. עם זאת, תוצאות כמו הניסויים המפורסמים של קומפטון מפיצים מראים שיש להם תנופה, מבלבלת ככל שנדמה. אם אתה יורה פוטונים על אלקטרון, הם מתפזרים מהאלקטרונים ומאבדים אנרגיה באופן התואם את שמירת המומנטום. זה היה אחד מחתיכות הראיות שמדענים נהגו ליישב את המחלוקת האם האור התנהג כמו חלקיק כמו גם גל לפעמים.
הביטוי האנרגטי הכללי של איינשטיין מציע הסבר תיאורטי מדוע זה נכון:
ה2 = ע2ג2 + Mמנוחה2ג2
במשוואה זו, ג מייצג את מהירות האור ו Mמנוחה היא מסת המנוחה. עם זאת, לפוטונים אין מסת מנוחה. זה משכתב את המשוואה כ:
ה2 = ע2ג2
או בפשטות רבה יותר:
ע = ה / ג
זה מראה שלפוטונים לאנרגיה גבוהה יותר יש תאוצה רבה יותר, כפי שהייתם מצפים.
האור מושפע מכוח הכבידה
כוח המשיכה משנה את מסלול האור באותו אופן שהוא משנה את מהלך החומר הרגיל. בתורת הכובד של ניוטון, הכוח השפיע רק על דברים בעלי מסה אינרציאלית, אך היחסות הכללית שונה. חומר עיוות זמן חלל, מה שאומר שדברים שנוסעים בקווים ישרים עוברים שבילים שונים בנוכחות זמן חלל מעוקל. זה משפיע על החומר, אבל זה גם משפיע על פוטונים. כאשר מדענים הבחינו בהשפעה זו, זה הפך להיות עדות מרכזית לכך שהתאוריה של איינשטיין נכונה.