Inhalt
- TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
- Photonen haben keine Trägheitsmasse und keine relativistische Masse
- Photonen haben Schwung
- Licht wird von der Schwerkraft beeinflusst
Wenn Sie es zum ersten Mal hören, mag die Vorstellung, dass Licht Masse haben könnte, lächerlich erscheinen, aber wenn es keine Masse hat, warum wird Licht dann von der Schwerkraft beeinflusst? Wie kann man sagen, dass etwas ohne Masse einen Impuls hat? Diese beiden Tatsachen über Licht und die "Lichtteilchen", die Photonen genannt werden, lassen Sie vielleicht zweimal überlegen. Es ist wahr, dass Photonen keine Trägheitsmasse oder relativistische Masse haben, aber die Geschichte beinhaltet mehr als nur diese grundlegende Antwort.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Photonen haben keine Trägheitsmasse und keine relativistische Masse. Experimente haben jedoch gezeigt, dass Photonen einen Impuls haben. Spezielle Relativitätstheorie erklärt diesen Effekt theoretisch.
Die Schwerkraft beeinflusst Photonen auf ähnliche Weise wie Materie. Newtons Gravitationstheorie würde dies verbieten, aber experimentelle Ergebnisse, die dies bestätigen, stützen Einsteins allgemeine Relativitätstheorie nachdrücklich.
Photonen haben keine Trägheitsmasse und keine relativistische Masse
Die Trägheitsmasse ist die Masse, wie sie im zweiten Newtonschen Gesetz definiert ist: ein = F / m. Sie können sich dies als den Widerstand des Objekts gegen Beschleunigung vorstellen, wenn eine Kraft angewendet wird. Photonen haben keinen solchen Widerstand und bewegen sich mit der schnellstmöglichen Geschwindigkeit durch den Weltraum - etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde.
Nach Einsteins Theorie der speziellen Relativitätstheorie gewinnt jedes Objekt mit Ruhemasse mit zunehmendem Impuls relativistische Masse, und wenn etwas die Lichtgeschwindigkeit erreichen würde, hätte es eine unendliche Masse. Haben Photonen eine unendliche Masse, weil sie sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen? Da sie nie zur Ruhe kommen, kann davon ausgegangen werden, dass sie keine Ruhemasse haben. Ohne eine Ruhemasse kann sie nicht wie andere relativistische Massen erhöht werden, und deshalb kann sich Licht so schnell fortbewegen.
Dies erzeugt eine konsistente Reihe von physikalischen Gesetzen, die mit Experimenten übereinstimmen, so dass Photonen keine relativistische Masse und keine Trägheitsmasse haben.
Photonen haben Schwung
Die gleichung p = mv definiert klassische Dynamik, wo p ist schwung, m ist Masse und v ist Geschwindigkeit. Dies führt zu der Annahme, dass Photonen keinen Impuls haben können, weil sie keine Masse haben. Ergebnisse wie die berühmten Compton Scattering-Experimente zeigen jedoch, dass sie Schwung haben, so verwirrend das auch sein mag. Wenn Sie Photonen auf ein Elektron schießen, streuen diese von den Elektronen und verlieren Energie in einer Weise, die der Impulserhaltung entspricht. Dies war eines der wichtigsten Beweismittel, mit denen Wissenschaftler den Streit darüber beigelegt haben, ob sich Licht manchmal sowohl wie ein Teilchen als auch wie eine Welle verhält.
Einsteins allgemeiner Energieausdruck bietet eine theoretische Erklärung dafür, warum dies zutrifft:
E2 = p2c2 + msich ausruhen2c2
In dieser Gleichung c stellt die Lichtgeschwindigkeit dar und msich ausruhen ist die Ruhemasse. Photonen haben jedoch keine Ruhemasse. Dies schreibt die Gleichung um als:
E2 = p2c2
Oder einfacher:
p = E / c
Dies zeigt, dass energiereichere Photonen erwartungsgemäß mehr Dynamik haben.
Licht wird von der Schwerkraft beeinflusst
Die Schwerkraft verändert den Verlauf des Lichts ebenso wie den Verlauf der gewöhnlichen Materie. In Newtons Gravitationstheorie wirkte sich die Kraft nur auf Dinge mit Trägheitsmasse aus, aber die allgemeine Relativitätstheorie ist anders. Materie verzieht die Raumzeit, was bedeutet, dass Dinge, die sich in geraden Linien bewegen, in Gegenwart einer gekrümmten Raumzeit unterschiedliche Wege nehmen. Dies betrifft die Materie, aber auch Photonen. Als Wissenschaftler diesen Effekt beobachteten, wurde es ein wichtiger Beweis dafür, dass Einsteins Theorie richtig war.