Как может фотон не иметь массы и при этом двигаться со скоростью света?

Question

Как может фотон не иметь массы и при этом двигаться со скоростью света?

пользователь1500

Я прочитал ряд полезных вопросов и ответов о фотонах, в которых упоминается проблема массы/без массы. Правильно ли я понимаю, что идея отсутствия массы (масса покоя равна 0) может быть просто соглашением, чтобы уравнения работали?

С точки зрения неспециалиста трудно понять, как частица света (фотон) может быть лишена массы. Физический объект (обычный мир-большой или квантово-малый) должен иметь массу. Тем не менее, если я правильно понимаю, масса движущегося объекта/частицы увеличивается пропорционально его скорости/скорости... так что при скорости света его масса была бы бесконечной. Фотон движется со скоростью света, но очевидно, что он не имеет бесконечной массы, верно? Может ли кто-нибудь сформулировать практическое объяснение, понятное детям средней и старшей школы? Большое спасибо за помощь.

Вау, ваши ответы на мой первоначальный вопрос ниже проясняют большую часть моего замешательства. Теперь передо мной стоит непростая задача просмотреть эти самородки и разработать безуравненное (надеюсь) объяснение безмассового фотона для людей, не являющихся физиками.

Да, с точки зрения неспециалиста кажется удивительным, что существующий кусок материи , который должен состоять из физического вещества , может иметь нулевую массу в состоянии покоя (хотя фотон никогда не находится в состоянии покоя). Было бы почти понятно, если бы кусок материи, сделанный из ничего , имел нулевую массу, но это кажется оксюмороном, и «ничего» приравнивается к несуществующему, верно?

На случай, если вам это покажется интересным: я работаю над письменным проектом, в котором утверждается, что мы живем во вселенной, состоящей только из материи (физического вещества), и что НЕфизическое (также известное как сверхъестественное) не существует (и не может) существовать. Например, если обнаруживается, что предполагаемое сверхъестественное явление действительно существует, то по определению его существование является доказательством того, что оно является обыденным/естественным. Все, что нужно, чтобы опровергнуть это предположение, — это надежное доказательство того, что произошло ОДНО сверхъестественное событие. Несмотря на тысячи таких заявлений, этого еще не произошло.

Кто еще лучше физиков подтвердит мою посылку? Тем не менее, я бы хотел, чтобы телефизики объяснили термины, которые они бросают, некоторые из которых вводят в заблуждение/сбивают с толку их непрофессиональных зрителей. Показательный пример: «Вселенная состоит из материи и энергии» (без правильного определения термина «энергия» как свойства материи).

В результате у неспециалистов создается впечатление, что энергия, следовательно, должна быть чем-то отдельным от материи или независимым от нее (т. е. нефизическим). Использование ими термина «чистая энергия» без точного определения того, что это означает, добавляет путаницы. (Благодаря вашим ответам на этом форуме я теперь понимаю, что «чистая энергия» относится к фотонным частицам.) Однако «экстрасенсы» и другие шарлатаны пользуются такой путаницей, похищая такие термины, как энергия (как в «психической энергии»), частот, вибраций и т. д., чтобы придать предполагаемую научную легитимность их заявлениям о существовании сверхъестественного духовного мира и т. д. Как вы понимаете, большинство людей в США (согласно опросу Харриса 2009 г.) и во всем мире верят в существование нефизических/сверхъестественных вещей, таких как призраки и духи.

Моя цель — дать неспециалистам информацию, необходимую им для того, чтобы отличить настоящее от ложного.

Большое спасибо за помощь... И, ПОЖАЛУЙСТА, добавьте любые дополнительные комментарии, которые, по вашему мнению, могут быть полезными/содержательными, чтобы лучше информировать непрофессионалов.

Ответы (9)

Как может фотон не иметь массы и при этом двигаться со скоростью света?

Любош Мотл · Answer 1

В массе различных видов частиц нет абсолютно ничего традиционного. Для любой частицы, движущейся в вакууме, можно измерить полную энергию $E$ (включая скрытую энергию) и импульс $p$ . Экспериментально оказывается — и специальная теория относительности Эйнштейна гарантирует — что комбинация

Е^{2} - п^{2} с^{2}

$E^2 - p^2 c^2$ зависит не от скорости, а только от типа частицы. Это величина, описывающая тип частицы, и мы называем ее

Е^{2} - п^{2} с^{2} знак равно м_{0}^{2} с^{4}

$E^2 - p^2 c^2 = m_0^2 c^4$ Это определяет массу покоя

m_{0}

$m_0$ частицы. Приведенная выше формула работает для любой частицы в вакууме, с любой скоростью и всегда неособа. Фотоны имеют

E = p c

$E=pc$ что подразумевает, что

m_{0} = 0

$m_0=0$ . Масса покоя фотона равна нулю.

В самом деле, это также причина, по которой фотон не может находиться в состоянии покоя, $v=0$ . Если скорость чего-либо $c$ в одной системе отсчета она останется $c$ в любой (несингулярной) системе отсчета - это еще один постулат специальной теории относительности. Таким образом, невозможно сделать скорость фотона равной нулю, переключившись на другую (не сингулярную) систему отсчета.

Но если вы хотите увидеть какие-то значения для всех величин, вы можете представить себе, что фотон в состоянии покоя может существовать, и его общая масса будет равна нулю. На скорости $v$ , масса увеличивается до

м_{т о т а л} знак равно \frac{м_{0}}{\sqrt{1 - в^{2} / с^{2}}}

$m_{total} = \frac{m_{0}}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$ За

m_{0} = 0

$m_0=0$ а также

v = c

$v=c$ , приведенное выше выражение, очевидно, является

0 / 0

$0/0$ неопределенной формы, и ее правильным результатом может быть что угодно. В частности, правильным значением является любое конечное число. На нужной скорости,

v = c

$v=c$ , безмассовые фотоны могут иметь любую конечную энергию.

Есть проблема с этим выводом, а именно, мы не можем использовать $E=pc$ (без циклического аргумента), так как AFAIK нет способа вывести $E=pc$ кроме как путем установки $m=0$ в $E^2=(m_0c^2)^2+(pc)^2$ . Даже с уравнением де Бройля.
Уважаемый @clicky-hacky-clicky-hacky, я не пытался утверждать, что личность можно получить из «ничего». Всегда приходится принимать какие-то формулы или принципы и защищать их успешным сравнением результатов с экспериментами. Вот почему критика «цикличности» в физике полностью упускает из виду эпистемический статус естественных наук в целом.
@LubošMotl Вы утверждали, что фотоны $E=pc$ , (то, что можно вывести по формуле энергии-импульса, только положив $m=0$ ), затем вы подставили этот результат в то же уравнение и показали, что $m=0$ . Разве это не круговая логика и, следовательно, не так ли? en.wikipedia.org/wiki/Circular_reasoning И, кстати, спасибо за потрясающий звонок, вы очень любезны.
Уважаемый @clicky-hacky-clicky-hacky, извините за использование транслитерированной версии вашего имени через чешский язык (ориг. klikyháky, klikykáky). :-) У меня нет подходящей клавиатуры, чтобы написать ваше имя, а копирование и вставка было бы бессмысленным и неуважительным... Если отдельные утверждения в наборе утверждений в физике подразумевают друг друга, так что вы можете найти петлю, которая вы называете «круговыми рассуждениями», это, конечно же, не означает, что какое-либо из утверждений неверно. Наоборот, все, что я пишу и все, что я написал в своей жизни, более или менее верно. В физике некоторые утверждения должны быть приняты/выведены из наблюдений.

Дэвид З. · Answer 2

Правильно ли я понимаю, что идея отсутствия массы (масса покоя равна 0) может быть просто соглашением, чтобы уравнения работали?

Нет, фотон действительно имеет нулевую массу. Вы можете думать о нем как о частице «чистой энергии», если это поможет вам понять это, но единственный смысл, в котором это верно, состоит в том, что у фотона есть энергия, но нет массы.

Тем не менее, если я правильно понимаю, масса движущегося объекта/частицы увеличивается пропорционально его скорости/скорости...

Нет, на самом деле масса — это релятивистский инвариант. Каждый объект имеет свою особую внутреннюю массу, которая всегда одинакова, независимо от того, с какой скоростью движется объект. Что увеличивается, так это энергия . Для массивных объектов они связаны формулой, приведенной Любошем:

Е знак равно \frac{м с^{2}}{\sqrt{1 - в^{2} / с^{2}}}

$E = \frac{mc^2}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$

(обратите внимание, что мой $m$ соответствует его $m_0$ ).

Вот небольшая историческая мотивация. На заре теории относительности физики быстро поняли, что по мере того, как объект ускоряется, становится все труднее и труднее увеличивать его скорость на заданную величину. Это один из способов выразить причину, по которой ни один объект не может превышать скорость света. Теперь мы говорим, что объект, который труднее перемещать, имеет большую инерцию, и преобладающее соглашение заключалось в том, что инерция должна быть связана с массой, поэтому имело смысл, что объект, движущийся быстрее, должен в некотором смысле иметь большую массу. Физики придумали термин «релятивистская масса» для обозначения этой величины.

Однако они также признали, что в релятивистской массе покоящегося объекта есть нечто особенное, поскольку (например) это была минимально возможная релятивистская масса, которую объект мог когда-либо иметь; это количество массы, присущее объекту. Вполне уместно они назвали это «массой покоя».

В последующие годы, отчасти благодаря открытию общей теории относительности, физики поняли, что более разумно говорить, что инерция связана с энергией , а не только с массой. В конце концов, ОТО говорит вам, что помимо массы есть и другие факторы, влияющие на гравитацию, поэтому вполне логично, что помимо массы есть и другие факторы, влияющие на инерцию. Таким образом, термин «релятивистская масса» вышел из моды (ну, вроде того, что до сих пор есть достаточное количество людей, которые его используют), и вместо этого физики просто начали говорить об энергии. Они просто связаны уравнением

Е знак равно м_{отн.} с^{2}

$E = m_\text{rel}c^2$

Это известное уравнение, которое люди связывают с Эйнштейном, хотя они часто забывают нижний индекс «отн», и это приводит к большой путанице ;-)

Теперь, когда «масса» не используется для описания всей вещи, связанной с инерцией движущегося объекта, мы можем просто использовать это слово для описания «собственной массы» или «массы покоя» без каких-либо ограничений. путаница. (Опять же, вроде того, что все еще существует довольно много людей, которые действительно говорят о «массе покоя», и можно запутаться, когда разные группы с разными условностями говорят друг с другом.) Итак, в наши дни «масса» относится к тому, что было ранее известный как «масса покоя». Как я уже сказал, каждый объект имеет свою особую массу, а для фотона она равна нулю. Как сказал Любош, только объекты с нулевой массой могут двигаться со скоростью света, иначе энергия была бы неопределенной.

Чтобы понять фотон, вспомните полное уравнение Эйнштейна

Е^{2} знак равно м^{2} с^{4} + п^{2} с^{2}

$E^2 = m^2 c^4 + p^2 c^2$

в котором говорится, что энергия исходит как от массы, так и от импульса. Таким образом, даже если у частицы нет массы, она все равно может получать свою энергию от импульса, а у фотонов действительно есть и энергия, и импульс.

Дэвид, я не хочу придираться, и я знаю, что с математической точки зрения разницы нет, но с точки зрения физики (и дидактической) разница огромная: мы не должны записывать соотношение массы, энергии и импульса в Пифагорейская форма. Это уравнение для нормы вектора энергии-импульса, для которого правильным форматом является инвариантный формат: масса с одной стороны и энергия-импульс с другой. Это делает подпись Минковского явной и не дает непрофессиональным читателям ошибиться.
@Johannes: возражение принято, но в данном случае я выражаю энергию как комбинацию вкладов массы и импульса. Таким образом, форма, которую я использовал, лучше всего соответствует моей цели. Для других целей наиболее подходящим будет другое расположение терминов. Однако я не думаю, что вы можете обоснованно утверждать, что существует одна правильная форма для всех приложений.
« фотон действительно имеет нулевую массу ». Тогда объясни $E = mc^2$ . Если есть масса ( $m$ ) равно 0, то энергии нет ( $E = 0c^2$ -> $E = 0$ ).
@Cole, посмотри последний абзац моего ответа.

Йоханнес · Answer 3

Вы просите дать практическое объяснение, которое смогут понять заинтересованные дети средней и старшей школы. Я думаю, что это близко: что не так с $E=mc^2$ ?

Масса является нормой (=длиной) вектора энергии-импульса и, следовательно, инвариантна и сохраняется. Квадратная норма вектора энергии-импульса для объекта с энергией $E$ и импульс $p$ является $E^2-p^2$ . (см. примечание ниже) Квадратный корень этого выражения равен массе ( $m$ ). Фотон имеет $E = p$ , а значит и нулевая масса. Массивная частица в состоянии покоя имеет $p = 0$ и, следовательно $E = m$ , самое известное уравнение Эйнштейна (см. сноску).

Забудьте о «релятивистской массе». Это запутанный термин, который не добавляет никакого понимания. Всякий раз, когда вы встречаете термин «релятивистская масса», заменяйте его термином «энергия», так как это действительно так. У фотона есть энергия (пропорциональная его частоте), но нет массы.

Вы действительно думаете, что это замечательно, что может быть энергия без массы?

Примечание. В вышеуказанные коэффициенты вставки $c$ при работе не в натуральных единицах (т.е. заменить $m$ с $m c^2$ , а также $p$ с $p c$ )

голос · Answer 4

Другая точка зрения. Чем меньше масса покоя частицы, тем легче ее разогнать до той же скорости . Легкий электрон легко разогнать до скорости $0.9999c$ чем тяжелое ядро. Фотон с массой покоя $< 10^{-18}eV$ можно считать самой легкой частицей.

Посмотрите статью и основную ссылку

Зеки · Answer 5

Зеки

Я думаю, вы запутались. У фотонов нет массы, у них есть импульс.

Гонки легкости на орбите

Импульс - это масса, умноженная на скорость

перетасовки

@LightnessRacesinOrbit Только для частиц с массой, движущихся с нерелятивистскими скоростями.

Лукас · Answer 6

В ответ на обсуждение: «Да, с точки зрения неспециалиста...» Важно отметить, что сверхъестественному было дано определение, т.е. нефизическое, затем было сказано, что оно не должно быть естественным – естественным, возможно, означающим физическим. Одна из аксиом этой точки зрения заключалась в том, что «можно найти только то, что является физическим», и «то, что существует, является физическим». Хотя автор делает это как вывод, это аксиома, поэтому есть круговое рассуждение. Вместо «по определению» следует сказать: «По определению и по предположению, что существование чего-либо означает, что оно является физическим, я заключаю, что сверхъестественного не существует».

Также важно отметить, что любые данные определения могут создавать аксиомы, и что любые данные аксиомы могут создавать неопределенные термины (как в аксиоматическом подходе к геометрии). Кроме того, как автор определяет слово «найден»? Это то, что находит экспериментальная физика, или это то, что находит теоретическая физика?

Что касается энергии, все, что я должен сказать, это то, что общепризнано, что частицам для создания нужна энергия, а именно фотон. Автор утверждает, что фотон и есть сама материя. Аксиомы включают: «Все, что мы можем представить как частицу, является материей». На самом деле это либо аксиома, приводящая (возможно, вместе с другими аксиомами) к выводу о том, что все является физическим, либо вывод, являющийся следствием аксиомы о том, что все является физическим. Автор самостоятельно не доказывает эти идеи. Опять круговые рассуждения.

Дева · Answer 7

Уравнение энергии импульса для частицы массы $m$ , энергия $E$ и импульс $p$ является:

Е^{2} знак равно п^{2} с^{2} + м^{2} с^{4}

$E^2=p^2c^2+m^2c^4$ так что если

m = 0

$m=0$ тогда

E = p c

$E = pc$ . Для частицы массы

m

$m$ движущийся со скоростью

v

$v$ у нас стандартные отношения

E = γ m c^{2}

$E=\gamma mc^2$ а также

p = γ m v

$p=\gamma mv$ . Приведенные выше уравнения означают

v = 𝑐

$v=𝑐$ . Однако, как это подразумевает

γ = \infty

$\gamma=\infty$ что подразумевает

𝐸 = \infty

$𝐸=\infty$ пока не

𝑚 = 0

$𝑚=0$ . В качестве

𝑚 = 0

$𝑚=0$ для фотона это означает, что приведенные выше уравнения согласуются с

E \neq \infty

$E\not=\infty$ .

Аргус · Answer 8

Так как я неспециалист, я так себе это оправдываю, так как это самоуверенный Беовульф, прошу считать это моим "мнением", а не фактом. На мой взгляд, любые два объекта с массой, направленные друг на друга, вызовут взрыв. Учитывая это, я беру два фонарика и направляю их друг на друга: о нет, это дешевый ускоритель частиц? Увы, фонарики включаются, ну и толком ничего не происходит. Они не сталкиваются и создают своего рода поток частиц. Проще говоря, они просто проходят через другой луч фонарика; так же, как с двумя лазерными указками. Они проходят насквозь, а не сталкиваются в физическом смысле.

Лучи могут столкнуться, это просто слабо. Это ничем не отличается от запуска нейтрино через Землю.
@RonMaimon: С математической точки зрения я полностью согласен, но в рамках этого вопроса он задает более общее представление о том, как неспециалист может подтвердить такую сложную идеологию.
О/п привел нелепый пример, но если вы строго проведете его тест, в затемнении, без других источников света и используете когерентный свет от лазерного источника, два луча света могут интерферировать друг с другом. Другой; но это продемонстрировало бы интерференционные картины, согласующиеся со светом, являющимся волной энергии, распространяющейся как волна, т.е. демонстрирующей усиление и подавление, когда два луча находятся в фазе. Частицы отсутствуют, поэтому абсурдно ожидать столкновения частиц, как в суперколлайдере.

Гамма-луч · Answer 9

Гамма-луч

Поскольку этот вопрос касается того, как фотон может двигаться со скоростью света и при этом не иметь массы, я отвечу, что фотоны, не имеющие массы, являются именно тем, почему они могут двигаться так быстро, а без массы становится неосязаемым для чего бы то ни было сделать это. идти медленнее.

Абхинав

Уплотнение из-за сокращения длины не является допустимой концепцией для точечной частицы, такой как фотон, и в любом случае оно не связано с увеличением релятивистской массы.

Гамма-луч

утверждение об уплотнении было для объектов с массой, а не для фотона, сокращение длины может быть не связано с увеличением массы, но связано с ее сжатием, что было моей точкой зрения.

Абхинав

Могут существовать и массивные точечные частицы. Введение сокращения длины здесь действительно неуместно.

Гамма-луч

Хорошо, большие тела с атомарным составом можно объяснить так, но вы правы. этот физический процесс неприменим к точечным частицам с массой, он может быть аналогичен только чему-то более внутреннему. (возможно, это был вводящий в заблуждение пример.)

Гамма-луч

На самом деле я перепутал массу с относительной плотностью.

Ed999

ИМХО, этот ответ не должен был быть отвергнут. Утверждение, что фотон может двигаться со скоростью с, потому что у него нет массы , абсолютно верно. Кто - нибудь искренне верит, что фотон — это частица? Очевидно, что это не так: согласно Эйнштейну, это волна, вибрация в ткани пространства-времени. Частица определяется как объект, имеющий массу, следовательно, инерцию. Инерция — это то, что не позволяет частице достичь даже малой доли скорости света. Волна, будучи только вынужденным колебанием, не может иметь инерции. Энергия, будучи волной и, следовательно, безмассовой, не имеет ни инерции, ни импульса, поэтому распространяется в точке c.

Как может фотон не иметь массы и при этом двигаться со скоростью света?

пользователь1500

Ответы (9)

Любош Мотл

Хаким

Любош Мотл

Хаким

Любош Мотл

Дэвид З.

Йоханнес

Дэвид З.

Коул Тобин

Дэвид З.

Йоханнес

голос

яркая звезда

голос

Зеки

Гонки легкости на орбите

перетасовки

Лукас

Дева

Аргус

Рон Маймон

Аргус

Ed999

Гамма-луч

Абхинав

Гамма-луч

Абхинав

Гамма-луч

Гамма-луч

Ed999