Ima li foton masu?

Foton ima energiju i energija je ekvivalentna masi.
Fotoni se tradicionalno smatraju bezmasivnim. 

Logika se može konstruirati na mnogo načina, a slijedeća je jedna takva. Uzmi izolirani sustav (zvan “čestica”) i ubrzajte ga do neke brzine v (vektor). Newton je odredio “zamah” p ove čestice (također vektor), tako da se p ponaša na jednostavan način kad se čestica ubrzava ili kada je uključena u sudar. Za to jednostavno ponašanje ispada da p mora biti proporcionalan v. Konstanta proporcionalnosti naziva se “masa” m čestice, tako da p = mv.

U posebnoj relativnosti, ispada da još uvijek možemo odrediti zamah čestice tako da se ponaša na dobro definiranim načinima koji su proširenje newtonijskog slučaja. Iako p i v još uvijek ukazuju u istom smjeru, ispada da više nisu proporcionalni; najbolje što možemo učiniti jest povezati ih preko “relativističke mase” čestice. Tako

           p = m * vr.
Kada je čestica u mirovanju, njena relativistička masa ima minimalnu vrijednost nazvanu “masa mirovanja”. Masa mirovanja uvijek je ista za istu vrstu čestice. Na primjer, svi protoni imaju identične mase mirovanja, a tako i svi elektroni, a isto tako i svi neutroni; ove se mase mogu pogledati u tablici. Kako se čestica ubrzava na sve veće brzine, njena relativistička masa povećava se bez ograničenja.

Također se pokazuje da u posebnoj relativnosti možemo odrediti pojam “energije” E, tako da E ima jednostavna i dobro definirana svojstva baš poput onih koje ima u newtonskoj mehanici. Kada je čestica ubrzana tako da ima neki zamah p (duljina vektora p) i relativističku masu, onda njena energija E ispada da je:

1

2

Postoje dva zanimljiva slučaja ove posljednje jednadžbe:

Ako je čestica u mirovanju, onda p = 0, i energija je jednaka proizvodu mase mirovanja i kvadrata brzine.
Ako postavimo da je masa mirovanja jednaka nuli (bez obzira je li to razumna stvar za napraviti), onda je E = pc.
U klasičnoj elektromagnetskoj teoriji, svjetlost pokazuje da ima energiju E i momentum p, a veza im je E = pc. Kvantna mehanika uvodi ideju da se svjetlost može promatrati kao zbirka “čestica”: fotona. Iako se ti fotoni ne mogu odmarati, pa se ideja mase mirovanja zapravo ne odnosi na njih, sigurno možemo donijeti ove “čestice” svjetla u jednadžbe  tako što smatramo da nemaju masu mirovanja. Na taj način, gornja jednadžba daje ispravan izraz svjetlosti, E = pc. Gornja jednadžba se može primijeniti na čestice materije i “čestice” svjetlosti. Sada se može koristiti kao potpuno općenita jednadžba, što ju čini vrlo korisnom.

Postoje li eksperimentalni dokazi da foton ima nultu masu mirovanja?

Alternativne teorije fotona uključuju pojam koji se ponaša kao masa, a to dovodi do vrlo napredne ideje “masivnog fotona”. Ako ostatak mase fotona nije nula, teorija kvantne elektrodinamike bi bila “u nevolji” prvenstveno kroz gubitak invariancije. Također, očuvanje naboja više ne bi bila apsolutno zajamčeno, kao što je to ako fotoni imaju nultu  masu mirovanja. No, bez obzira na to što bilo koja teorija mogla predvidjeti, još uvijek je potrebno provjeriti to predviđanje metodom eksperimenta.

Gotovo je sigurno nemoguće napraviti bilo koji pokus koji bi utvrdio masu mirovanja  fotona da bude tačno nula. Najbolje što se možemo nadati jest postaviti granice na nju. Nenulta masa mirovanja predstavljala bi mali faktor prigušenja u inverznom kvadratnom Coulombovom zakonu elektrostatskih sila. To znači da bi elektrostatska sila bila slabija na vrlo velikim udaljenostima.

Isto tako, ponašanje statičkih magnetskih polja bit će modificirano. Gornja granica fotonske mase može se zaključiti putem satelitskog mjerenja planetarnih magnetskih polja. Letjelica Explorer je korištena za određivanje gornje granice od 6 × 10-16 eV s velikom sigurnošću. To je malo poboljšano 1998. godine od strane Roderic Lakesa u laboratorijskom eksperimentu koji je tražio anomalne sile na ravnoteži Cavendish. Nova granica je 7 × 10-17 eV. Studije galaktičkih magnetskih polja ukazuju na mnogo bolju granicu od manje od 3 × 10-27 eV, no postoji sumnja u valjanost ove metode.

Izvor: http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/photon_mass.html

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *