Фотон не имеет массы покоя. Как определили и что такое масса покоя?
1. Что такое масса покоя?
Масса покоя (m₀) — это фундаментальная физическая характеристика тела, которая:
1. Не зависит от движения. Это масса, которую вы измерите, если догоните частицу и измерите ее массу в системе отсчета, где она неподвижна.
2. Является мерой инертности тела в его собственной системе отсчета. Это константа, "встроенная" в частицу.
3. Является мерой энергии покоя частицы. Согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = m₀c², масса покоя показывает, сколько энергии "заморожено" в частице, даже когда она неподвижна.
Проще говоря, масса покоя — это ответ на вопрос: "Сколько бы эта частица "весила" (какой была бы ее инерция), если бы я остановил(а) ее и взвесил(а)?"
· Для протона, электрона, яблока ответ будет положительным числом. У них есть масса покоя.
· Для фотона ответ: "Его нельзя остановить, и в системе, где он неподвижен, он не существует". Поэтому у него масса покоя равна нулю.
2. Как определили, что у фотона нет массы покоя?
Ученые не сели однажды и не "взвесили" фотон. К такому выводу пришли, потому что вся совокупность экспериментальных данных и теоретических построений не оставляет иного варианта. Вот ключевые доказательства:
а) Скорость
· Теория: Из специальной теории относительности (СТО) следует, что любая частица, не имеющая массы покоя, обязана всегда двигаться со скоростью света в вакууме (c ≈ 300 000 км/с). И наоборот: частица, движущаяся со скоростью света, должна иметь нулевую массу покоя.
· Эксперимент: Многократные и сверхточные измерения показывают, что скорость фотона в вакууме всегда равна c, независимо от энергии фотона (будь то низкоэнергетические радиоволны или высокоэнергетический гамма-квант). Это было бы невозможно, если бы фотон имел массу покоя. Даже крошечная масса заставляла бы более энергичные фотоны двигаться чуть быстрее менее энергичных, но этого не наблюдается.
б) Электромагнитная теория и уравнения Максвелла
Классические уравнения Максвелла (1860-е годы), описывающие все электрические, магнитные и оптические явления, прямо предсказывают существование волн, которые всегда движутся со скоростью c. Свет (и фотоны как его кванты) является manifestation этой волны. Теория Максвелла не оставляет места для массы у электромагнитной волны.
в) Отсутствие системы покоя
Для любой частицы с ненулевой массой покоя можно представить систему отсчета, где она неподвижна. Для фотона отсчета не существует. Сама концепция "фотона в состоянии покоя" противоречит и СТО, и квантовой механике. Это мощное теоретическое доказательство.
г) Закон Кулона
Точность, с которой выполняется закон Кулона (сила взаимодействия между двумя зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния), также является косвенным доказательством. Если бы фотон имел массу, это взаимодействие ослабевало бы гораздо быстрее (по экспоненте), что не наблюдается.
д) Космологические наблюдения
Наблюдения за распространением света от далеких галактик и реликтовым излучением также накладывают фантастически жесткие ограничения на возможную массу фотона. Если бы она была ненулевой, это повлияло бы на многие astrophysical процессы. Согласно последним данным, масса покоя фотона не превышает 10⁻⁵⁴ кг (это невообразимо малое число, для сравнения: масса электрона ~10⁻³⁰ кг). Такой верхний предел фактически равен нулю в рамках любой измеримой физики.
3. Но ведь у фотона есть энергия и импульс! Как так?
Это самый частый и логичный вопрос. Если масса покоя равна нулю, откуда у света энергия (солнечные ожоги, работа солнечных батарей) и импульс (давление света, солнечный парус)?
Ответ дает полная формула Эйнштейна из СТО, которая связывает энергию (E), импульс (p) и массу покоя (m₀):
E² = (p c)² + (m₀ c²)²
· Для частиц с массой (например, электрон): m₀ > 0. Когда частица покоится (p = 0), ее энергия равна E = m₀c² (знаменитая "энергия покоя"). Когда она движется, ее энергия складывается из энергии покоя и кинетической энергии.
· Для фотона (m₀ = 0): формула превращается в E = p c. Это означает, что вся энергия фотона является "кинетической". У него нет энергии покоя.
Энергия фотона связана с его частотой (цветом): E = hν, где h — постоянная Планка, а ν — частота.
Соответственно, его импульс равен p = E / c = hν / c.
Итог: Фотон — это чисто кинетическая, всегда движущаяся частица. Ее энергия и импульс происходят не из массы, а из ее движения и частоты колебаний.
· Если их скорость одинакова и равна c, то, согласно Специальной теории относительности, их масса покоя должна быть равна нулю.
Таким образом, гамма-всплески работают как гигантский природный ускоритель, который ставит эксперимент на невообразимо больших расстояниях и с невероятной точностью подтверждает, что масса фотона равна нулю. Любое отклонение от этого правила было бы сразу же замечено современными астрономическими инструментами.