Есть ли у фотона в вакууме система покоя?

Краткий ответ: нет.

Объяснение:

Многие вводные учебники говорят о «массе покоя» и «релятивистской массе» и говорят, что «масса покоя» — это масса, измеренная в системе покоя частиц.

В этом нет ничего плохого, вы можете заниматься физикой с этой точки зрения, но люди больше так не говорят и не определяют массу.

С современной точки зрения каждая частица имеет одну и только одну массу, определяемую квадратом ее энергии - вектора импульса четыре (который, будучи инвариантом Лоренца, можно вычислить в любой инерциальной системе отсчета):

Для фотона это значение равно нулю. В любой системе отсчета , и это позволяет людям обоснованно говорить, что фотон имеет нулевую массу, без необходимости определять для него систему покоя.

Ваши ответы верны, у одиночного фотона нет системы покоя, тем не менее я нахожу весьма интересным отметить, что система безмассовых частиц (таких как фотоны) может иметь ненулевую массу при условии, что все импульсы не ориентированы по одной и той же оси и что для таких систем действительно МОГУТ быть определены кадры нулевого импульса.

Невозможно найти систему отсчета, в которой фотон покоится. Я буду рассуждать двумя разными способами:

1. Уравнения Максвелла и электромагнитный аргумент:

Согласно Максвеллу, электромагнитные возмущения распространяются в вакууме с постоянной скоростью c~299792458 м/с , что является максимальной скоростью распространения электромагнитных взаимодействий .

Если бы можно было найти систему покоя для фотона (т.е. систему реверанса, где скорость фотонов равна нулю), то в этой системе отсчета любое электромагнитное взаимодействие было бы невозможно (так как фотоны являются носителями электромагнитного взаимодействия). Например, сила между двумя покоящимися электронами будет$F=0$при любом расположении электронов поле не сможет распространяться между ними. Это абсурд, и поэтому невозможно найти систему отсчета, в которой фотон покоится.

2. Корпускулярная природа фотонов и квантовая механика:

Энергия$E$фотона определяется как$E=hf$куда$h$постоянная Планка и$f$обозначает частоту фотона, но$c = \lambda f$(с$\lambda$это длина волны). Этот продукт может быть равен нулю тремя различными способами:

1. $\lambda = 0$,$f$конечный. В этом случае фотон имеет нулевую длину волны и, следовательно, бесконечный импульс и конечную энергию, что абсурдно.
2. $f = 0$,$\lambda$конечный. В этом случае у фотона нет энергии, но есть конечный импульс ($p = h/\lambda$), что опять-таки абсурд.
3. $\lambda = 0$а также$f = 0$. Фотон имеет нулевую частоту (нулевую энергию) и нулевую длину волны (бесконечный импульс), что вдвойне абсурдно.

Поэтому и классический электромагнетизм, и квантовая теория света отрицают возможность системы отсчета, в которой фотон может находиться в состоянии покоя.

Для простоты предположим$(1+1)$Габаритные размеры. Позволять$M$быть$2\times 2$матрица, связывающая два кадра. Затем (установка$c=1$) относительная скорость двух кадров равна отношению$v=M_{12}/M_{22}$(или какое-то аналогичное соотношение в зависимости от вашего предпочтительного заказа для вашей рамы).

Предполагать$v=1$. затем$M_{12}=M_{22}$. Отсюда и из лоренц-ортогональности легко получается$M_{11}=M_{21}$, откуда$M$единственное число, противоречие.

Поэтому не может быть двух систем отсчета с относительной скоростью$1$.

Позвольте мне сказать это так:

Специальная теория относительности Эйнштейна не дает нам способа сделать скорость фотона системой отсчета.

Вы можете найти способ сделать это. Возможно, в этом есть некоторая польза, но я не слышал ни о какой пользе. Это может быть причиной того, что никто из уважаемых людей не удосужился это сделать, а если и сделал, то этому не уделялось должного внимания.

А теперь развеселите меня на мгновение, у меня есть аналогия.

Представьте, что люди настаивали на том, чтобы мы делали нашу географию так, будто мир плоский. Итак, у всех есть «горизонтальная» рамка. Мы думаем, что чем дальше люди, тем больше они тильтованы. Люди в Австралии вверх ногами, и если бы их можно было как-то сразу перевести сюда, они бы прилетели вниз головой. Мы можем сделать преобразование, чтобы перейти от нашего фрейма к чьему-то фрейму, если он находится где-то еще. И есть различные другие корректировки, которые мы должны сделать. Площадь плоского круга будет$\pi r^2$, но в реальном мире круги имеют меньшую площадь (или, может быть, большую площадь, в зависимости от того, как вы измеряете радиус. Это меньше площади, чем у плоского круга с тем же радиусом, что и радиус большого круга). Но разница важна только для больших больших кругов.

Мы этого не делаем. Мы не беспокоимся о том, насколько удаленные предметы наклонены, и мы не подстраиваемся под горизонтальные рамки, мы просто принимаем, что мир круглый.

Может быть, есть способ признать, что вещи, которые имеют разные скорости, просто не работают одинаково, и есть один-единственный способ измерить все это, который подходит друг другу.

Разве это не было бы лучше? Вместо бесконечного количества вводящих в заблуждение фреймов, между которыми нужно выполнять преобразование, у нас было бы просто одно описание, один способ измерения материала, и он просто работал бы. Например, использование сферического триггера вместо плоской геометрии.

Нисколько. Фотон, распространяясь в среде, не «движется» со скоростью, меньшей скорости света в вакууме. Он просто электромагнитно взаимодействует со средой, и эти взаимодействия замедляют его распространение в среде.