Vad är vikten på en foton?

Ja, fotoner har ingen massa. Jag kommer att argumentera varför i slutet av mitt svar. men först ska jag diskutera det experiment du föreslog.

Intressant är att experimentet du beskriver skulle tippa balansen, men inte av den anledning du tror. Anledningen är något som kallas "strålningstryck".

Särskild relativitet förutspår att en masslös partikel kommer att få fart.
Hur kan något utan massa få fart? Det verkar lite konstigt att det kan, med tanke på att vi är vana vid det klassiska uttrycket som ges [matematik] p = mv [/ matematik]. Men i speciell relativitet har vi ett annat uttryck för fart:

[matematik] p = frac {mv} { sqrt {1- frac {v ^ 2} {c ^ 2}}} [/ matematik]

(Du bör kontrollera att detta, när hastigheten är mycket liten, matchar det klassiska uttrycket!)

Nu kan du se att även om drivkraften fortfarande är proportionell mot massan, går nämnaren till oändlighet när hastigheten går till ljusets hastighet. Som ett resultat får en masslös partikel, som rör sig med ljusets hastighet, en ändlig fart. Vi kan räkna ut detta momentum med hjälp av ett annat uttryck från special relativitet:

[matematik] p = sqrt { frac {E ^ 2} {c ^ 2} - m ^ 2 c ^ 2} [/ matematik]

så en masslös partikel har [matematik] p = frac {E} {c}. [/matematik]

Från experiment vet vi att en foton med frekvens [matematik] nu [/ matematik] har energi [matematik] E = h nu = frac {hc} { lambda} [/ matematik]Där [matematik] lambda [/ matematik] är våglängden.

Så en foton har fart [matematik] p = frac {h} { lambda} [/ matematik].

Om en foton skulle reflekteras från en spegel utan att ändra våglängden, kommer den att reflektera med en momentum lika stor som dess ursprungliga momentum, men med motsatt riktning. Så storleken på dess förändring i dess momentum är
[matematik] Delta p = 2 frac {h} { lambda} [/ matematik].

Genom bevarande av momentum har vi en lika stor (momentom) förändring på spegeln!

Vi kan alltså beräkna den kraft som utövas på spegeln, som en funktion av antalet fotoner som träffar den per sekund, [matematik] Phi [/ matematik]:

[matematik] F = frac {2 Phi h} { lambda} [/ matematik]

Om du använder två olika våglängder av ljus eller antalet fotoner per sekund skiljer sig * kommer det verkligen att finnas ett nettomoment på balansen och det kommer att rotera. Men återigen beror det inte på att fotonerna har massa.

Detta strålningstryck har bekräftats genom experiment.

Faktum är att det faktum att ljus rör sig med ljusets hastighet är en bekräftelse på att fotoner är masslösa. Varje partikel som rör sig med ljusets hastighet måste vara masslös - enligt speciell relativitet, om någon partikel med icke-nollmassa skulle röra sig med ljusets hastighet, skulle den ha oändlig energi! Naturligtvis är allt detta beroende av speciell relativitet, men det finns både fantastiska teoretiska motiveringar för speciell relativitet och ett brett spektrum av experiment som bekräftar dess förutsägelser.

* Om vi ​​tappar antagandet att vår skala består av speglar som perfekt reflekterar allt ljus, spelar det också roll hur mycket den absorberar vid var och en av de två våglängderna. Om en foton absorberas istället för att reflekteras halveras förändringen i momentum.

Lämna en kommentar