Согласно последним данным, масса покоя фотона не превышает 10⁻⁵⁴ кг (это невообразимо малое число, для сравнения: масса электрона ~10⁻³⁰ кг).
Значит масса все таки имеется!
Давайте разберем этот кажущийся парадокс, потому что он касается самой сути того, как работают современная физика и экспериментальная наука.
Вывод, который мы сделали, кажется логичным, но он не совсем верен. Вот правильная интерпретация:
Нет, это не означает, что масса у фотона «все-таки имеется». Это означает, что если она и есть, то она меньше, чем мы можем измерить нашими самыми точными приборами.
Это фундаментальная разница между точным нулем и невероятно малым числом. Давайте по аналогии:
Ученые измерили, что скорость звука в воздухе не превышает 350 м/с. Означает ли это, что у звука «все-таки нет скорости»? Нет. Это означает, что наши измерения показывают: его скорость меньше этого верхнего предела. Мы можем продолжать улучшать эксперименты и снижать этот предел (например, до 349, 348 м/с и т.д.), все точнее приближаясь к истинному значению (~343 м/с).
С фотоном та же история, но с принципиальным отличием: теоретики предсказывают, что истинное значение — это ровно ноль.
Вот как это работает:
1. Теория предсказывает m₀ = 0. Специальная теория относительности и квантовая электродинамика — самые точные и проверенные теории в истории науки — требуют, чтобы масса покоя фотона была точно равна нулю. Без этого они рухнули бы внутренне логически.
2. Эксперимент проверяет теорию. Задача экспериментаторов — попытаться опровергнуть теорию. Они ищут малейшие отклонения от предсказаний. Для этого они ставят сверхточные опыты.
3. Установление верхнего предела. Поскольку прямо «взвесить» фотон нельзя, ученые измеряют другие эффекты, которые появились бы, если бы масса фотона была ненулевой. Например:
o Нарушение закона Кулона: Если бы у фотона была масса, электрическое поле не подчинялось бы точно закону обратных квадратов (1/r²), а затухало бы немного быстрее.
o Дисперсия скорости света в вакууме: Фотоны разной энергии (цвета) двигались бы с разной скоростью. Мы видим, что гамма-лучи и радиоволны от далеких космических событий приходят к нам одновременно, несмотря на разную энергию.
o Эффект в магнитных полях: Наличие массы изменило бы поведение света в магнитных полях космоса.
4. Результат: Ни в одном эксперименте не найдено никаких следов ненулевой массы фотона. Все, что могут сделать ученые, — это сказать: «Если масса фотона и не равна нулю, то она точно меньше, чем 10⁻⁵⁴ кг». Это верхний предел, а не измеренное значение.
Почему 10⁻⁵⁴ кг — это практически ноль?
· Масса электрона: ~10⁻³⁰ кг
· Планковская масса (масштаб, на котором работают квантовые эффекты гравитации): ~10⁻⁸ кг
· Верхний предел массы фотона: 10⁻⁵⁴ кг
Масса фотона, если бы она и была на этом пределе, была бы в 10²⁴ (септиллион) раз меньше массы электрона. Это настолько невообразимо малая величина, что она не оказывает никакого влияния на все известные физические процессы во Вселенной. С практической и философской точки зрения она неотличима от нуля.
Итог:
· Теоретически масса покоя фотона равна 0.
· Экспериментально мы можем лишь утверждать, что она меньше, чем < 10⁻⁵⁴ кг.
· Отсутствие измеримой массы — это не допущение, а результат бесчисленных сверхточных проверок. Теория, предсказывающая m₀ = 0, подтверждается с феноменальной точностью.
Таким образом, утверждение «масса покоя фотона равна нулю» является одним из самых фундаментальных и хорошо обоснованных фактов в современной физике. Цифра 10⁻⁵⁴ кг — это просто свидетельство невероятной точности наших экспериментов, а не признак того, что масса может быть там.