Quando lo senti per la prima volta, l'idea che la luce possa avere massa potrebbe sembrare ridicola, ma se non ha massa, perché la luce è influenzata dalla gravità? Come si può dire che qualcosa senza massa abbia lo slancio? Questi due fatti sulla luce e le "particelle di luce" chiamate fotoni potrebbero farti pensare due volte. È vero che i fotoni non hanno massa inerziale o massa relativistica, ma nella storia c'è molto di più di quella semplice risposta.

TL; DR (Troppo lungo, non letto)

I fotoni non hanno massa inerziale e nessuna massa relativistica. Gli esperimenti hanno dimostrato che i fotoni hanno lo slancio, però. La relatività speciale spiega teoricamente questo effetto.

La gravità influisce sui fotoni in modo simile a come influenza la materia. La teoria della gravità di Newton proibirebbe questo, ma i risultati sperimentali confermano che esso aggiunge un forte sostegno alla teoria della relatività generale di Einstein.

I fotoni non hanno massa inerziale e nessuna massa relativistica

La massa inerziale è la massa definito dalla seconda legge di Newton: a
= F
/ m
. Puoi pensare a questo come alla resistenza dell'oggetto all'accelerazione quando viene applicata una forza. I fotoni non hanno tale resistenza e viaggiano alla massima velocità possibile attraverso lo spazio - circa 300.000 chilometri al secondo.

Secondo la teoria della relatività ristretta di Einstein, qualsiasi oggetto con massa di riposo guadagna massa relativistica mentre aumenta di quantità di moto, e se qualcosa dovesse raggiungere la velocità della luce, avrebbe una massa infinita. Quindi, i fotoni hanno una massa infinita perché viaggiano alla velocità della luce? Dal momento che non si fermano mai, è logico che non si possa considerare di avere una massa di riposo. Senza una massa di riposo, non può essere aumentato come altre masse relativistiche, ed è per questo che la luce è in grado di viaggiare così rapidamente.

Questo produce un insieme coerente di leggi fisiche che concordano con gli esperimenti, quindi i fotoni hanno nessuna massa relativistica e nessuna massa inerziale.

I fotoni hanno Momentum

L'equazione p
= mv
definisce il momento classico, dove p
è slancio, m
è di massa e v
è velocità. Ciò porta al presupposto che i fotoni non possono avere lo slancio perché non hanno massa. Tuttavia, risultati come i famosi esperimenti di Compton Scattering mostrano che hanno uno slancio, il più confuso di quanto sembri. Se si sparano fotoni a un elettrone, si diffondono dagli elettroni e perdono energia in modo coerente con la conservazione della quantità di moto. Questa era una delle prove chiave che gli scienziati usavano per risolvere la disputa sul fatto che la luce si comportasse talvolta come una particella e anche un'onda.

L'espressione di energia generale di Einstein offre una spiegazione teorica del perché questo è vero:

E

<sup>2

= p
2 c
2 + m
_{rest 2 c
2}</sup>

In questa equazione, c
rappresenta la velocità della luce e m
_{resto è la massa a riposo. Tuttavia, i fotoni non hanno massa a riposo. Questo riscrive l'equazione come:}

E

<sup>2

= p
< sup> 2 c
2</sup>

O, più semplicemente:

p

= E
/ c

Questo dimostra che i fotoni di energia più alta hanno più slancio, come ci si aspetterebbe.

La luce è influenzata dalla gravità

Gravità altera il corso della luce nello stesso modo in cui altera il corso della materia ordinaria. Nella teoria della gravità di Newton, la forza influiva solo sulle cose con massa inerziale, ma la relatività generale è diversa. La materia deforma lo spaziotempo, il che significa che le cose che viaggiano in linea retta prendono percorsi diversi in presenza dello spaziotempo curvo. Questo influenza la materia, ma influenza anche i fotoni. Quando gli scienziati hanno osservato questo effetto, è diventato un elemento chiave di prova che la teoria di Einstein era corretta