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처음 들었을 때 빛이 질량을 가질 수 있다는 생각은 어리석은 것처럼 보일 수 있지만, 질량이 없으면 빛이 중력의 영향을받는 이유는 무엇입니까? 어떻게 질량이없는 것이 운동량을 가질 수 있다고 말할 수 있습니까? 빛과 광자라고하는“빛의 입자”에 관한이 두 가지 사실은 두 번 생각하게 만들 수 있습니다. 광자에는 관성 질량 또는 상대 론적 질량이 없지만 그 기본 답변보다 더 많은 이야기가 있습니다.
TL; DR (너무 길고 읽지 않음)
광자에는 관성 질량과 상대 론적 질량이 없습니다. 실험에 따르면 광자는 운동량을 가지고 있음이 증명되었습니다. 특수 상대성 이론은이 효과를 이론적으로 설명합니다.
중력은 광자가 물질에 미치는 영향과 유사한 방식으로 광자에 영향을줍니다. 뉴턴의 중력 이론은 이것을 금지 할 것이지만 실험 결과에 따르면 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 대한 강력한지지가 추가되었다.
광자는 관성 질량이없고 상대 론적 질량이 없다
관성 질량은 뉴턴의 제 2 법칙에 정의 된 질량입니다. 에이 = 에프 / 엠. 이것을 힘이 가해질 때 가속에 대한 물체의 저항이라고 생각할 수 있습니다. 광자는 이러한 저항을 가지지 않으며 초당 약 300,000km의 공간을 통해 가능한 가장 빠른 속도로 이동합니다.
아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면, 정지 질량을 가진 물체는 운동량이 증가함에 따라 상대 질량을 얻게되고, 무언가가 빛의 속도에 도달하면 무한 질량을 갖게됩니다. 그래서 광자는 빛의 속도로 이동하기 때문에 무한 질량을 가지고 있습니까? 그들은 결코 쉴 수 없기 때문에 휴식을 취하는 것으로 간주 될 수 없다는 것이 합리적입니다. 휴식 질량이 없으면 다른 상대 론적 질량처럼 증가시킬 수 없으므로 빛이 그렇게 빨리 이동할 수 있습니다.
이것은 실험에 동의하는 일관된 물리 법칙을 만들어 내기 때문에 광자에는 상대 론적 질량과 관성 질량이 없습니다.
광자 운동량
방정식 피 = mv 고전적인 운동량을 정의합니다. 피 운동량, 엠 질량이고 V 속도입니다. 이것은 광자가 질량이 없기 때문에 운동량을 가질 수 없다는 가정으로 이어집니다. 그러나 유명한 Compton Scattering 실험과 같은 결과는 그처럼 혼란스러운 모멘텀을 가지고 있음을 보여줍니다. 전자에서 광자를 쏘면, 전자로부터 흩어지고 운동량 보존과 일치하는 방식으로 에너지를 잃게됩니다. 이것은 과학자들이 빛이 때때로 입자뿐만 아니라 파동처럼 행동하는지에 대한 논쟁을 해결하기 위해 사용한 주요 증거 중 하나였습니다.
아인슈타인의 일반적인 에너지 표현은 이것이 사실 인 이유에 대한 이론적 설명을 제공합니다.
이자형2 = 피2씨2 + 엠쉬다2씨2
이 방정식에서 씨 빛의 속도를 나타냅니다 엠쉬다 나머지 질량입니다. 그러나 광자는 휴식 질량이 없습니다. 이것은 방정식을 다음과 같이 다시 작성합니다.
이자형2 = 피2씨2
또는 더 간단하게 :
피 = 이자형 / 씨
이것은 예상대로 고 에너지 광자가 더 많은 운동량을 가지고 있음을 보여줍니다.
빛은 중력의 영향을받습니다
중력은 일반 물질의 과정을 변경하는 것과 같은 방식으로 빛의 과정을 변경합니다. 뉴턴의 중력 이론에서 힘은 관성 질량을 가진 물체에만 영향을 주지만 일반적인 상대성은 다릅니다. 물질은 시공간을 뒤 틀립니다. 즉, 직선으로 이동하는 물체는 곡선 시공간이있을 때 다른 경로를 사용합니다. 이것은 물질에 영향을 미치지 만 광자에도 영향을 미칩니다. 과학자들이이 효과를 관찰했을 때 아인슈타인의 이론이 옳았다는 것이 중요한 증거가되었습니다.