Объясните, как (или если) коробка, полная фотонов, будет весить больше из-за безмассовых фотонов.

Я понимаю, что эквивалентность массы и энергии часто неверно истолковывается как утверждение, что масса может быть преобразована в энергию и наоборот. Реальность такова, что энергия всегда проявляется как масса в той или иной форме, но я борюсь с некоторыми случаями:

Понятный пример ядерного распада

В случае простой ядерной реакции, например, общая масса системы остается неизменной, поскольку дефицит массы (в массах покоя) объясняется большими релятивистскими массами продуктов, приходящихся на одну единицу. Е знак равно Δ м с 2 . Когда нейтрон распадается, остаются быстрый протон и релятивистский электрон. Если бы вы могли взвесить эти два ядра, не замедляя их, вы бы обнаружили, что он весит столько же, сколько и первоначальный нейтрон.

Свет в коробке

Это становится для меня более сложным при переходе к безмассовым частицам, таким как фотоны. Фотоны могут передавать энергию от одной тяжелой частицы к другой. Когда фотон поглощается, релятивистская масса (а не масса покоя) (ранее стационарной) частицы, которая его поглощает, увеличивается. Но если я правильно понимаю, энергия должна каким -то образом проявляться в виде массы , пока фотон находится в полете, несмотря на то, что у фотона нет массы.

Итак, давайте рассмотрим коробку, внутренность которой полностью облицована идеальными зеркалами. У меня есть собственный вес коробки без фотонов в ней. Когда присутствуют фотоны, коробка имеет дополнительное измеримое количество энергии (количественно ниже) из-за фотонов в полете. Скажи, что есть Н фотоны... очевидно предполагают Н большой.

Δ м знак равно Е с 2 знак равно Н час λ с

Взаимодействия ограничиваются отражениями от стен, проявляющимися в постоянном давлении на стены. Если я подержу эту коробку в постоянном гравитационном поле (как поверхность Земли), тогда возникнет градиент давления, который слегка давит вниз. Это правильно? Не будет ли технически масса, поскольку фотоны находятся в полете, что создаст собственное гравитационное поле, как и всякая материя? Как все это согласуется с утверждением, что фотоны не имеют массы? Действительно ли правильно говорить, что фотоны не имеют массы? Кажется, это большая натяжка.

Пожалуйста, предложите более полное и физически точное описание этого зеркального ящика.

Ответы (3)

Утверждение, что фотоны не имеют массы, означает, что фотоны не имеют массы покоя . В частности, это означает, что в единицах, где с знак равно 1 , величина 3-импульса фотона должна быть равна полной энергии фотонов, а не стандартному соотношению, где м 2 знак равно Е 2 − п 2 .

Но вы можете создать многофотонные системы, в которых суммарный импульс равен нулю, поскольку импульс складывается как вектор. Однако при этом, поскольку энергия несвязанного состояния всегда неотрицательна, энергии просто складываются. Итак, эта система выглядит точно так же, как система покоя массивной частицы, у которой есть энергия, связанная с ее массой, и ничего больше.

Утверждение о гравитации немного тоньше, но все фотонные состояния будут взаимодействовать с гравитационным полем благодаря положительным результатам наблюдений за искривлением света, которые были сделаны за последнее столетие. Так что вам даже не нужна подобная конструкция, чтобы заставить фотоны «падать» в гравитационном поле.

Будет ли тогда правильно сказать, что релятивистская масса, а не масса покоя фотона м знак равно час λ с ? Тогда все заявления, которые я бы сделал о зеркальном ящике, можно было бы сделать, используя это. я так думаю ( м 0 с 2 ) 2 знак равно Е 2 − ( п с ) 2 (это может быть то, что вы имели в виду) по-прежнему сохраняется, однако, поскольку м 0 знак равно 0 .
@Zassoundtsukushi: Вы можете это сделать, но в конце концов использовать термин «релятивистская масса» несколько концептуально сложно — «релятивистская масса» на самом деле представляет собой просто энергию и имеет свойства, более близкие к аллергии.
Да, насколько это позволяет ваша система единиц (например, М е В с 2 для массы) Я согласен, что энергию фотонов можно рассматривать как «просто энергию». На мой вопрос в достаточной степени не отвечает ничего, что эта релятивистская масса или энергия фотона (которую вы используете в семантике) проявляет все свойства, ожидаемые от этого количества массы. Это означает, что на него воздействуют гравитационные поля и само искривляется пространство-время. Это больше, чем я раньше чувствовал себя комфортно, но концептуальная картина здесь кажется последовательной.
@Zassoundsukushi: причина, по которой это не сработает, техническая - излучение притягивается, но не так, как материя, а масса покоя и релятивистская энергия не складываются таким же образом, когда вы создаете системы из многих частиц. На первый взгляд, вы можете использовать их наполовину взаимозаменяемо, но поймите, что это чревато осложнениями, если вы планируете углубиться в этот материал.
@Jerry «не так, как материя» -> как так? Гравитация сочетается с тензором энергии напряжения, который на самом деле не так уж сильно отличается между безмассовыми и массивными системами...
@Marek: уравнение состояния другое.
Насколько нам известно, разве электроны и кварки не могут состоять из более мелких частиц с малой или нулевой массой, вращающихся по орбите? Я не предлагаю здесь настоящую теорию Вселенной, а просто делаю теоретический вывод. Вот почему я разочаровываюсь в этом слове «безмассовый», поскольку сама масса покоя возникает из движения чего-то (до некоторой ограниченной степени доказуемо физикой ядра и до неизвестной степени не доказано).
@Zassounotsukshi: Конечно, есть теории, связанные с субструктурой существующих элементарных частиц. В частности, людей интересуют теории, в которых бозон Хиггса является составной частицей.
Да, но этот ответ говорит, Е 2 − п 2 знак равно м 2 , применимо только для одной частицы? физика.stackexchange.com/questions/175444/…

В вашем понимании нет путаницы, все, что вы сказали, правильно, и это нетривиальное содержание статьи Эйнштейна E=mc^2. Эти системы являются причиной того, что «релятивистская масса», введенная Толменом, полезна с педагогической точки зрения. Понятие, которое мы называем «массой» в нашей повседневной жизни, представляет собой энергию системы (в единицах массы), и когда вы используете слово «масса» только для обозначения «массы покоя», интуитивное понятие несколько меняется. .

При делении атома быстро движущиеся осколки имеют энергию, равную начальной энергии бомбы. Если вы взвешиваете их, не замедляя их (например, если они заряжены, и вы захватываете их, заставляя их делать круги в магнитном поле), вес, который вы поместите на весы после их захвата, увеличится на релятивистскую массу ( энергия над c^2).

Фотоны в сферическом зеркальном ящике утяжеляют ящик точно так же, как релятивистская масса фотонов внутри. Притяжение Земли к этим фотонам связано с релятивистской массой. Если вы замените фотоны частицами газа с тем же давлением и уберете немного массы со стенок, чтобы общая масса стала положительной, гравитационное поле снаружи будет таким же, это неверно, заменив фотоны безнапорным блок с весом, равным их релятивистской массе, только потому, что давление также способствует гравитационному полю.

Я думаю, что есть некоторая путаница в вашем понимании релятивистской физики в утверждении здесь:

В случае простой ядерной реакции, например, общая масса системы остается неизменной, поскольку дефицит массы (в массах покоя) объясняется большими релятивистскими массами продуктов на E=Δmc2. Когда нейтрон распадается, остаются быстрый протон и релятивистский электрон. Если бы вы могли взвесить эти два ядра, не замедляя их, вы бы обнаружили, что он весит столько же, сколько и первоначальный нейтрон.

Правильное утверждение состоит в том, что суммарный вектор четырех продуктов распада будет иметь эффективную массу нейтрона.

Массы не сохраняются в релятивистской физике, так же как длины не сохраняются при сложении векторов в трех измерениях. Что сохраняется, так это энергия и импульс, четырехвектор , мера которого равна m * c, где m — эффективная масса системы, аналогичная длине трехвектора после добавления трех векторов.

Когда pi0 превращается в два фотона, верно, что доступная энергия для каждой гаммы в системе центра масс пио составляет половину массы пио, и мерой инвариантной массы этих двух гамм будет масса пио. Когда задействовано больше частиц, скажем, два пио, тогда инвариантная масса четырех гамма-четырех импульсов не добавляется к двум массам пио. Лучше забыть о запутанных спорах с массами и думать о четырех импульсах в релятивистском режиме.

Теперь коробка фотонов будет иметь сумму четырех импульсов по мере, равную E* 2/c *2 - |p|* 2=m *2*c**2. (пожалуйста, смотрите ссылку вики для ясной терминологии)

Если сумма трех векторов импульса равна нулю, эффективная масса фотонов в ящике будет равна E/c**2. Небольшой, но есть, чтобы взвесить.

Нет никакой путаницы, эти утверждения однозначно на 100% верны, и именно по этой причине физики использовали релятивистскую массу в качестве концепции.
Объясните, как (или если) коробка, полная фотонов, будет весить больше из-за безмассовых фотонов.
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v