Come può un fotone non avere massa e viaggiare ancora alla velocità della luce?

Question

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Ho letto una serie di utili Q&A sui fotoni che menzionano il problema massa / senza massa. Capisco correttamente che l'idea di massa senza (una massa a riposo pari a 0) può essere solo una convenzione per far funzionare le equazioni?

Dal punto di vista di un laico, è difficile capire come una particella di luce (fotone) può essere privo di massa. Un oggetto fisico (ogni giorno grande o quantistico piccolo) deve avere una massa. Tuttavia, se la mia comprensione è corretta, la massa di un oggetto / particella in movimento aumenta in proporzione alla sua velocità / velocità ... così che alla velocità della luce, la sua massa sarebbe infinita. Un fotone viaggia alla velocità della luce, ma ovviamente non ha massa infinita, giusto? Qualcuno può formulare una spiegazione pratica che possa essere compresa dai ragazzi delle scuole medie e superiori? Molte grazie per l'aiuto.

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Wow - le tue risposte alla mia domanda originale qui sotto chiariscono gran parte della mia confusione. Ora ho l'arduo compito di esaminare queste pepite e di elaborare una spiegazione senza equazioni (si spera) del fotone senza massa per i tipi non fisici.

Sì, dal punto di vista di un laico , sembra davvero straordinario che un pezzo di materia esistente - che deve essere fatto di sostanza fisica - possa avere massa nulla a riposo (sebbene un il fotone non è mai a riposo). Sarebbe quasi comprensibile se un pezzo di materia fatto di niente avesse massa zero, ma quello sembra essere un ossimoro e "niente" equivarrebbe a inesistente, giusto?

Nel caso in cui lo trovi interessante: sto lavorando a un progetto di scrittura che postula che abitiamo un universo che consiste solo di materia (materiale fisico) e che il NON fisico (noto anche come soprannaturale) non lo fa (e non può ) esistono. Ad esempio, se si scopre che un presunto fenomeno soprannaturale esiste effettivamente, allora per definizione, la sua esistenza è la prova che è banale / naturale. Tutto ciò che serve per smentire questa premessa è una prova attendibile che si è verificato UN evento soprannaturale. Nonostante migliaia di affermazioni simili, non è mai successo.

Chi altri meglio dei fisici per confermare la mia premessa? Tuttavia, vorrei che i fisici della TV spiegassero i termini che pubblicano, alcuni dei quali fuorviano / confondono i loro spettatori laici. Caso in questione: "L'universo è costituito da materia ed energia" (senza definire correttamente il termine "energia" come una proprietà della materia).

Il risultato è che i laici hanno l'impressione che l'energia deve quindi essere qualcosa di separato o indipendente dalla materia (cioè, non fisico). Il loro uso del termine "energia pura" senza specificare esattamente cosa questo significhi aggiunge confusione. (Grazie alle tue risposte su questo forum, ora capisco che "energia pura" si riferisce a particelle fotoniche.) Tuttavia, "sensitivi" e altri ciarlatani approfittano di tale confusione dirottando termini come energia (come in "energia psichica"), frequenze, vibrazioni, ecc. per dare legittimità scientifica percepita alle loro affermazioni secondo cui esiste un mondo spirituale soprannaturale, ecc. Come puoi capire, la maggior parte delle persone negli Stati Uniti (secondo Harris Poll del 2009) e in tutto il mondo crede nell'esistenza di cose non fisiche / soprannaturali come fantasmi e spiriti.

Il mio scopo è dare ai laici le informazioni di cui hanno bisogno per distinguere ciò che è reale da ciò che non lo è.

Grazie mille per l'aiuto ... E, PER FAVORE, aggiungi eventuali ulteriori commenti che ritieni possano essere utili / approfonditi per informare meglio i laici.

Answer 1

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Non c'è assolutamente nulla di convenzionale nella massa di diverse specie di particelle. Per ogni particella che si muove nel vuoto, puoi misurare l'energia totale $ E $ (inclusa l'energia latente) e la quantità di moto $ p $. Risulta sperimentalmente - e la teoria della relatività speciale di Einstein garantisce - che la combinazione $$ E ^ 2 - p ^ 2 c ^ 2 $$ non dipende dalla velocità ma solo dal tipo di particella. È una quantità che descrive il tipo di particella e la chiamiamo $$ E ^ 2 - p ^ 2 c ^ 2 = m_0 ^ 2 c ^ 4 $$ Questo determina la massa a riposo $ m_0 $ della particella. La formula sopra funziona per qualsiasi particella nel vuoto, qualsiasi velocità ed è sempre non singolare. I fotoni hanno $ E = pc $ che implica che $ m_0 = 0 $. La massa a riposo di un fotone è uguale a zero.

In effetti, questo è anche il motivo per cui non si può davvero avere un fotone a riposo, $ v = 0 $. Se la velocità di qualcosa è $ c $ in un sistema di riferimento, rimarrà $ c $ in qualsiasi sistema di riferimento (non singolare) - questo è un altro postulato della teoria della relatività speciale. Quindi non si può mai fare la velocità del fotone zero passando a un altro sistema di riferimento (non singolare).

Ma se vuoi vedere alcuni valori per tutte le quantità, puoi immaginare che potrebbe esistere un fotone a riposo e la sua massa totale sarebbe zero. Alla velocità $ v $, la massa viene aumentata a $$ m_ {total} = \ frac {m_ {0}} {\ sqrt {1-v ^ 2 / c ^ 2}} $$ per $ m_0 = 0 $ e $ v = c $, l'espressione sopra è chiaramente una forma $ 0/0 $ indeterminata e il suo risultato corretto può essere qualsiasi cosa. In particolare, il valore corretto è qualsiasi numero finito. Alla giusta velocità, $ v = c $, i fotoni privi di massa possono avere qualsiasi energia finita.

Answer 2

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Capisco correttamente che l'idea di massa senza (una massa a riposo di 0) può essere solo una convenzione per far funzionare le equazioni?

No, un fotone ha davvero massa zero. Puoi pensarlo come una particella di "energia pura" se ti aiuta a dargli un senso, ma l'unico senso in cui ciò è valido è che un fotone ha energia ma non ha massa.

Tuttavia, se la mia comprensione è corretta, la massa di un oggetto / particella in movimento aumenta in proporzione alla sua velocità / velocità ...

No, in realtà la massa è un invariante relativistico. Ogni oggetto ha la sua particolare massa intrinseca che è sempre la stessa indipendentemente dalla velocità a cui si muove l'oggetto. Ciò che aumenta è l ' energia . Per gli oggetti massicci, sono correlati dalla formula citata da Luboš,

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

(nota che il mio $ m $ corrisponde al suo $ m_0 $).

Ecco una piccola motivazione storica. All'inizio della relatività, i fisici si resero presto conto che quando un oggetto accelera, diventa sempre più difficile aumentare la sua velocità di una determinata quantità. Questo è un modo per esprimere il motivo per cui nessun oggetto può superare la velocità della luce. Ora, diciamo che un oggetto che è più difficile da spostare ha più inerzia, e la convenzione prevalente era che l'inerzia dovrebbe essere correlata alla massa, quindi aveva senso che un oggetto che si muoveva più velocemente avesse più massa, in un certo senso. I fisici hanno coniato il termine "massa relativistica" per riferirsi a questa quantità.

Tuttavia, hanno anche riconosciuto che c'era qualcosa di speciale nella massa relativistica di un oggetto a riposo, poiché (per esempio) quello era il minimo possibile massa relativistica che l'oggetto potrebbe mai avere; è la quantità di massa intrinseca all'oggetto. In modo abbastanza appropriato, l'hanno etichettato come "massa a riposo".

Negli anni successivi, spinti in parte dalla scoperta della relatività generale, i fisici si sono resi conto che ha più senso dire che l'inerzia è correlata all ' energia , non solo alla massa. Dopotutto, GR ti dice che ci sono altre cose oltre alla massa che contribuiscono alla gravità, quindi ha senso che ci siano altre cose oltre alla massa che contribuiscono all'inerzia. Quindi il termine "massa relativistica" è caduto in disgrazia (beh, più o meno; c'è ancora un discreto numero di persone che lo usano) ei fisici hanno iniziato a parlare invece di energia. I due sono semplicemente collegati dall'equazione

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

Questa è la famosa equazione che le persone associano a Einstein, sebbene spesso dimentica il pedice "rel" e questo porta a molta confusione ;-)

Ora quella "massa" non viene usata per descrivere la cosa-che-è-correlata-all'-inerzia di un oggetto in movimento, possiamo semplicemente usare quella parola per descrivere la "massa intrinseca" o "massa a riposo" senza alcuna confusione. (Di nuovo, più o meno; c'è ancora un buon numero di persone che parlano di "messa a riposo" ed è possibile confondersi quando diversi gruppi con convenzioni diverse parlano tra loro.) Quindi di questi tempi "massa" si riferisce a ciò precedentemente noto come "massa a riposo". Come ho detto, ogni oggetto ha la sua massa particolare e, per un fotone, è zero. Come ha detto Luboš, solo gli oggetti con massa nulla possono viaggiare alla velocità della luce, altrimenti l'energia sarebbe indefinita.

Per dare un senso al fotone, ricorda l'equazione completa di Einstein

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

che dice che l'energia proviene sia dalla massa che dalla quantità di moto. Quindi, anche se una particella non ha massa, può comunque ottenere la sua energia dalla quantità di moto e i fotoni hanno effettivamente sia energia che quantità di moto.

Answer 3

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Chiedi una spiegazione pratica che possa essere compresa dai ragazzi interessati delle scuole medie / superiori. Penso che questo si avvicini: Cosa c'è di sbagliato in $ E = mc ^ 2 $ ?

La massa è la norma ( = lunghezza) del vettore energia-momento, e quindi invariante e conservato. La norma quadrata del vettore energia-momento per un oggetto con energia $ E $ e quantità di moto $ p $ è $ E ^ 2-p ^ 2 $ . (vedere la nota sotto) La radice quadrata di questa espressione è massa ( $ m $ ). Un fotone ha $ E = p $ e quindi massa zero. Una particella massiccia a riposo ha $ p = 0 $ e quindi $ E = m $ , la più famosa di Einstein equazione (vedi nota a piè di pagina).

Dimentica la "massa relativistica". Questo è un termine confuso che non aggiunge alcuna comprensione. Ogni volta che vedi il termine "massa relativistica", sostituiscilo con il termine "energia", poiché questo è ciò che è realmente. Un fotone ha energia (in proporzione alla sua frequenza) ma non ha massa.

Pensi davvero che sia straordinario che possa esserci energia senza massa?

Nota: nell'inserto sopra fattori $ c $ quando non funziona in unità naturali (es. sostituire $ m $ span > con $ mc ^ 2 $ e $ p $ con $ pc $ )

Answer 4

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Un altro punto di vista. Più piccola è la massa a riposo della particella, più è facile accelerarla alla stessa velocità . L'elettrone leggero è facile da accelerare alla velocità di $ 0,9999c $ rispetto al nucleo pesante. Il fotone con massa a riposo $ < 10 ^ {- 18} eV $ può essere considerato la particella più leggera.

Answer 5

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Penso che tu sia confuso. I fotoni non hanno massa, hanno slancio.

Answer 6

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In risposta alla discussione, "Sì, dal punto di vista di un laico ..." È importante notare che al soprannaturale è stata data una definizione, cioè non fisica, quindi è stato detto che non deve essere naturale - naturale possibilmente significato fisico. Uno degli assiomi della visione era che "si può trovare solo ciò che è fisico" e "ciò che esiste è fisico". Sebbene l'autore lo faccia sembrare una conclusione, è un assioma, quindi c'è un ragionamento circolare. Invece di 'per definizione', dovrebbe essere detto: 'Per definizione e dal presupposto che l'esistenza di qualcosa significa che è fisica, io concludere che il soprannaturale non esiste. "

È anche importante notare che qualsiasi definizione data può creare assiomi e che qualsiasi assioma dato può creare termini indefiniti (come in un approccio assiomatico alla geometria). qual è la definizione dell'autore di "trovato"? È che viene trovata dalla fisica sperimentale o viene trovata dalla fisica teorica?

Riguardo all'energia, tutto quello che ho da dire è che è generalmente accettato che le particelle avrebbero bisogno di energia per essere create , vale a dire un fotone. L'autore sostiene che il fotone è la materia stessa. Gli assiomi includono: "Tutto ciò che possiamo pensare come una particella è materia". In realtà, questo è un assioma che porta (possibilmente insieme ad altri assiomi) alla conclusione che tutto è fisico, oppure una conclusione che è una conseguenza dell'assioma che tutto è fisico. L'autore non prova queste idee in modo indipendente. Ancora una volta, ragionamento circolare.

Answer 7

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L'equazione della quantità di moto dell'energia per una particella di massa $ m $, energia $ E $ e quantità di moto $ p $ è: $$ E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m ^ 2c ^ 4 $$ quindi se $ m = 0 $ allora $ E = pc $.Per una particella di massa $ m $ che si muove con velocità $ v $ abbiamo le relazioni standard $ E = \ gamma mc ^ 2 $ e $ p = \ gamma mv $. Le equazioni precedenti implicano $ v = $.Tuttavia, poiché ciò implica $ \ gamma = \ infty $ che implica $ = \ infty $ a meno che $ = 0 $.Poiché $ = 0 $ per un fotone, ciò implica che le equazioni di cui sopra sono coerenti con $ E \ not = \ infty $.

Answer 8

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Dato che sono un laico, è così che mi giustifico, dato che questo è un Beowulf supponente, per favore consideralo come la mia "opinione" e non come un fatto. A mio avviso, due oggetti con massa diretti l'uno verso l'altro creeranno un'esplosione. Tenendo conto di ciò, prendo due torce e le punto l'una verso l'altra: oh no, è un acceleratore di particelle economico? Ahimè, le torce sono accese e, beh, non succede davvero nulla. Non entrano in collisione e creano una sorta di pioggia di particelle. In termini laici, passano semplicemente attraverso l'altro raggio della torcia; come con due puntatori laser. Passano attraverso, non entrano in collisione in senso fisico.

Answer 9

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Poiché questa domanda riguarda il modo in cui un fotone può viaggiare alla velocità della luce e tuttavia non ha massa, risponderò dicendo che i fotoni che non hanno massa è precisamente il motivo per cui possono viaggiare così velocemente, e senza massa, diventa intangibile per qualsiasi cosa per farlo andare più lentamente.