Kodėl šviesa neturi masės?
Trumpas atsakymas: Šviesa neturi ramybės masės, nes jos dalelės, vadinamos fotonais, visada juda šviesos greičiu ir negali būti ramybės būsenoje. Jos vis dar turi energijos ir impulso, bet jų vidinė masė (ramybės masė) lygi nuliui.
Ką tai reiškia?
Masė paprastai reiškia, kiek medžiagos objektas turi, kai jis nejuda. Fotonai (šviesos dalelės) niekada negali stovėti vietoje. Kadangi jie visada juda šviesos greičiu, jie neturi ramybės masės.
Einšteino idėjos rodo, kad energija ir masė yra susijusios, tačiau fotonai turi energiją neturėdami ramybės masės. Net ir neturėdami ramybės masės, fotonai gali stumti daiktus ir pernešti informaciją. Jie veikia kaip maži energijos paketai, kurie juda labai greitai.
Štai kodėl šviesa elgiasi kaip bemasė dalelė, tačiau vis tiek atlieka darbą ir veikia aplink ją esančią materiją. Tai, kad šviesa neturi ramybės masės, padeda paaiškinti, kodėl visi fotonai tuščioje erdvėje juda tokiu pačiu maksimaliu greičiu: šviesos greičiu.
Ką sako fizika
Įvardyti dėsniai / principai: Įvardytas dėsnis/pasekmė: Specialusis reliatyvumas (Einšteinas) ir fotono sąvoka iš kvantinės fizikos.
Specialiajame reliatyvume dydis, vadinamas ramybės mase (dar vadinama invariantine mase), yra masė, kurią objektas turi, kai jis nejuda. Fotonai niekada negali būti ramybės būsenoje, todėl jų ramybės masė turi būti lygi nuliui. Vietoj įprastos ramybės būsenos masės formulės E = mc^2, fotonai atitinka formulę E = pc, kur E yra energija, p yra impulsas, o c yra šviesos greitis.
Tai reiškia, kad fotonai perneša energiją ir impulsą neturėdami ramybės masės. Bendrasis reliatyvumas paaiškina, kaip energija ir impulsas (ne tik masė) veikia gravitaciją, todėl šviesa gali būti sulenkta stiprios gravitacijos, net jei ji neturi masės.
Kaip mes tai žinome: eksperimentai ir astronominiai stebėjimai atitinka prognozes, kad fotonai neturi ramybės masės ir juda c greičiu. Elektromagnetizmo bandymai ir šviesos elgsenos matavimai pateikia itin mažas viršutines ribas bet kokiai galimai fotono masei . Stebėjimai, tokie kaip gravitacinis lęšis, rodo, kad šviesai gravitacija įtakos turi per jos energiją, o ne dėl to, kad ji turi ramybės masę.
Pastebėk aplink
- Saulės šviesa šildo odą, nors fotonai neturi ramybės masės.
- Saulės bures gali stumti šviesos slėgis erdvėje.
- Lazeriai gali judinti mažyčius karoliukus optiniais pincetais, nes šviesa turi impulsą.
- Žvaigždžių šviesa lenkiasi aplink masyvius objektus (gravitacinis lęšis), todėl šviesa seka išlenktą erdvėlaikį.
- Saulės baterijos priverčia žaislus judėti naudojant šviesos energiją, bet ne pridedant masės.
Išbandymas
Saulės energija varomas žaislinis automobilis
Sauga: Laikyti atokiai nuo vandens ir karštų automobilio dalių; prižiūrėti saulės šviesoje.
Priemonės
- mažas saulės energija varomas žaislinis automobilis arba saulės baterija su mažu varikliu
- saulėta diena arba stiprus žibintuvėlis
Žingsniai
- Pastatykite žaislinį automobilį ant lygaus paviršiaus ryškioje saulės šviesoje arba pašvieskite stipriu žibintuvėliu į jo saulės bateriją.
- Leiskite automobiliui važiuoti ir stebėkite, kaip jis juda paviršiumi.
- Patraukite šviesą toliau ir stebėkite, kaip automobilis lėtėja arba sustoja, kai panelę pasiekia mažiau šviesos.
- Patraukite šviesą arčiau arba į stipresnę saulės šviesą ir stebėkite, kaip automobilis greitėja. Ką tai rodo: Šviesa perneša energiją ir gali judinti daiktus, net jei patys fotonai neturi ramybės masės.
Žodžiai, kuriuos verta žinoti
- Fotonas: Mažas šviesos paketas (dalelė), pernešantis energiją ir impulsą.
- Ramybės masė: Savoji masė, kurią daiktas turi, kai nejuda; fotonų ramybės masė nulinė.
- Impulsas: Judesio matas, leidžiantis judantiems objektams spausti kitus objektus; fotonai turi impulsą net ir be ramybės masės.
- Energija: Gebėjimas atlikti darbą arba sukelti pokyčius; šviesa turi energijos, kuri gali šildyti arba judinti daiktus.
Dažni klausimai
Jei šviesa neturi masės, ar gravitacija vis tiek gali ją paveikti?
Taip. Gravitacija išlenkia erdvėlaikį, o šviesa seka tuo išlenktu keliu, nes šviesa turi energiją ir impulsą.
Ar šviesa ką nors sveria?
Šviesa neturi ramybės masės, todėl ji neturi svorio įprasta prasme, bet jos energija gravitacijos sąlygomis gali veikti kaip masė.
Ar šviesa gali sulėtėti, jei ji neturi masės?
Tuščioje erdvėje šviesa visada sklinda c greičiu; tokiose medžiagose kaip vanduo ji atrodo lėtesnė, nes sąveikauja su materija, o ne todėl, kad pasikeitė jos ramybės masė.
Ar fotonai gali turėti mažą masę, kurios mes tiesiog neišmatavome?
Eksperimentai nustato labai mažas viršutines bet kurios fotono masės ribas, todėl jei ji egzistuoja, ji turi būti arčiau nulio, nei galime aptikti dabar .