Если фотон не имеет массы, почему он не имеет бесконечной скорости? [дубликат]

То, что свет движется с фиксированной скоростью в вакууме во всех системах отсчета, является экспериментальным фактом. Уравнения Максвелла настолько хорошо соответствуют всем макроскопическим электромагнитным данным, что фиксированная скорость света не вызывает сомнений. Он заложен в построении классической теории.

Свет состоит из миллиона фотонов. Фотоны — это элементарные частицы в стандартной модели физики элементарных частиц . Элементарные частицы, движущиеся с большими скоростями, не подчиняются преобразованиям Галилея , которые подразумеваются в вашем вопросе. Это верно для макроскопических объектов и скоростей, далеких от скорости света. Для микромира элементарных частиц именно преобразования Лоренца определяют скорости и пределы переходов из одной системы в другую. В преобразованиях Лоренца максимально достижимая скорость равна скорости света для всех частиц с нулевой массой. Частицы с массой никогда не смогут достичь его.

Таким образом, поскольку самой маленькой частицей света является фотон, фотон должен иметь нулевую массу, поскольку скорость света ограничена c.

Невозможно объяснить это, не объяснив предварительно теорию относительности. Во вселенной Галилея («классическая» физика, которую большинство людей интуитивно предполагает и о которой думает), скорость света не может быть объяснена. Действительно, уравнения Максвелла, описывающие, как работает свет, были первым признаком того, что наше понимание пространства-времени ошибочно.

Итак, настоящий вопрос заключается в следующем: как объяснить специальную теорию относительности неспециалисту. Есть много подходов, используемых в документальных фильмах и детских книгах... Я бы сказал следующее:

Скорость (например, пройденное расстояние, разделенное на затраченное время, измеренное одним и тем же человеком) ограничена, потому что природа нашей вселенной такова, что пространство и время геометрически связаны, подобно высказыванию «почему наибольший возможный угол в треугольнике составляет 180 градусов» или «почему на северном полюсе нет севера». Силы вызывают ускорение и изменяют импульс, но при больших скоростях увеличение импульса уже не так сильно меняет скорость.

Это своего рода аналогия из реальной жизни... рассмотрим места А и Б, и вы хотите добраться туда по кратчайшему маршруту. Пока люди идут очень длинными и извилистыми путями (медленными путями), вы всегда можете найти лучший маршрут, и вы даже не заметите никаких ограничений (как нашим предкам не нужно было заботиться о скорости света). .. но как только вы доберетесь до действительно быстрых путей, вы начнете понимать, что есть кратчайший путь: прямая линия. Более короткого пути нет, как бы вы ни старались. Это чистая геометрия. Во Вселенной нет волшебного «предела скорости», мы просто измеряем величину, которая математически не может быть больше скорости света. Если вы измеряете импульс, он может быть сколь угодно большим.

Вот где появляются фотоны: в теории относительности соотношение между импульсом$p$, энергия$E$и скорость$v$является$v=pc^2/E$. Там также отношение$E^2=(mc^2)^2+(pc)^2$. Итак, если у вас есть масса, энергия всегда будет больше, чем$pc$, а скорость всегда будет меньше$c$. Но для света это всегда$E=pc$, так$v=c$(и не может быть иначе).

РЕДАКТИРОВАТЬ: почему скорость света не бесконечна? Потому что, если бы это было так, наша Вселенная была бы совсем другой, и вы наверняка это заметили бы. Чтобы волновое уравнение имело смысл, скорость волны должна быть конечной, поэтому тот факт, что электромагнитные волны существуют (выполняются уравнения Максвелла), доказывает, что она должна быть конечной. В противном случае у нас не было бы ни индукции, ни радио, ни интерференции... для нас вполне естественно предположить, что изменения в окружающей среде требуют времени, чтобы их заметили где-то еще, настолько, что люди долго боролись, как гравитация и такая работа (силы на расстоянии были проблематичными и разрешились только тогда, когда мы поняли, что существуют поля, которые несут эту информацию через пространство). В этом отношении конечная скорость света облегчила понимание некоторых вещей. Мгновенное действие на расстоянии сломало бы большую часть физики.

В специальной теории относительности, как объяснял Эйнштейн, есть две возможности. Либо скорость любой частицы ограничена вообще, либо нет. Теперь, если скорость не ограничена, выскакивает теория Галилея. Но, как мы уже знаем, это не совсем точно объясняет преобразование скоростей из одной системы отсчета в другую при работе с высокими скоростями. Итак, только в другом случае скорость ограничена, если да, то что это?? Выходит, что эта скорость и есть скорость света.

Итак, любая частица, масса которой меньше, движется со скоростью с, поэтому скорость света также равна с.

Предел скорости c для безмассовых частиц является характеристикой пространства.

В соответствии с уравнением Максвелла скорость света, то есть скорость безмассовых частиц, отражает характеристики вакуума.

• диэлектрическая проницаемость вакуума$\mu_0$и
• вакуумная проницаемость$\epsilon_0$.

Такой предел скорости уравнений Максвелла несовместим с теорией относительности Галилея и привел в 1905 году к специальной теории относительности Эйнштейна.