Люди давно привыкли к тому, что одной из характеристик любой материи является масса. Она присуща не только таким крупным объектам, как планеты и звезды, но и их аналогами из невидимого микромира — протонам и электронам. Сэр Исаак Ньютон в свое время блестяще доказал взаимосвязь гравитационных сил и массы, которой обладает тело. В рамках его теории до сих пор успешно выполняются расчеты небесной механики. Через время после создания теории Ньютона возникла необходимость существенных ее доработок, так как некоторые явления оставались необъяснимыми. Эту задачу решил А. Эйнштейн, сформулировав свою «специальную теорию». Тогда же появилась знаменитая формула E=m*(c*c), указывающая на взаимосвязь энергии, массы и скорости света. Применяя формулу к частицам, быстро выяснилось, что масса фотона (частицы света) равна нулю. На первый взгляд это противоречит здравому смыслу, однако все именно так. Масса фотона при нулевой скорости его движения нулевая. Но когда частица преодолевает 300 тыс. км /с – она приобретает привычную массу. Впрочем, в последнее время считается, что масса фотона, все же, нулевая. А то значение, которое следует из формулы H*v = m*(c*c), представляет собой релятивистскую массу. Так чему же на самом деле равна масса фотона? Формула, действительно, есть. Только она более сложна и расчет выполняется через значение импульса данной частицы.

Так как энергия E для фотона равняется H*v, то из формулы можно определить массу:

Но так как фотон, собственно, являясь светом, принципиально не может существовать при скоростях, меньше чем «с» (300 тыс. км/с), то найденная выше масса верна только для состояния движения.

Импульс можно найти через

p=(m*v) / sqrt (1- (v*v) / (c*c))

Наличие импульса свидетельствует об энергии. Действительно, если в летний день подставить руку под солнечные лучи, то отчетливо ощущается тепло. Объяснить это явление можно через перенос энергии какой-либо частицей, обладающей определенной массой, движущейся с высокой скоростью. Именно это и наблюдается в отношении света. Поэтому масса и импульс фотона так важны, хотя в этом случае не всегда удается оперировать привычными понятиями.

На многочисленных форумах в сети Интернет ведутся дебаты о природе света и способах выполнения расчетов. Очевидно, что вопрос о том, чему равна масса фотона, пока не может считаться закрытым. Новые модели дают возможность совершенно по-другому объяснять наблюдаемые процессы. В науке так всегда бывает: например, сначала теория Ньютона считалась завершенной и логичной, но вскоре выяснилось, что необходим ряд поправок. Несмотря на это, ничего не мешает уже сейчас использовать известные свойства светового потока: человек научился с помощью приборов видеть в темноте; двери супермаркетов автоматически открываются перед посетителем; оптические сети позволили достичь ранее невиданных скоростей передачи цифровых данных; а специальные устройства позволили выполнить преобразование энергии солнечного света в электричество.

Почему же фотон в состоянии покоя не имеет массы (и вообще не существует)? Этому есть несколько объяснений. Первое – данный вывод следует из формул. Второе – так как свет обладает дуальной природой (является как волной, так и потоком частиц), то, очевидно, понятие массы совершенно неприменимо к излучению. Третье – логическое: представим себе быстро вращающееся колесо. Если посмотреть сквозь него, то вместо спиц можно увидеть некий туман, дымку. Но стоит начать снижать скорость вращения, как дымка постепенно исчезает, а после полной остановки остаются лишь спицы. В данном примере дымка – это частица, названная «фотон». Ее можно наблюдать только в движении, причем со строго определенной скоростью. Если скорость падает ниже 300 тыс. км/с, то фотон исчезает.

fb.ru

Этот вопрос содержит две части:

Имеет ли фотон массу?
Ведь у него есть энергия, а энергия эквивалентна массе.

Обычно говорят, что фотон безмассовая частица. Физики используют такое слово для описания частиц вроде фотона в теории относительности.

Можно рассуждать по разному. Например, возьмём изолированную систему (частицу) и ускорим её до некоторой скорости v (вектор). Ньютон определил импульс p (тоже вектор) этой частицы так, что p ведёт себя довольно просто при ускорении частицы или когда частица участвует в столкновении. Это поведение заключается в том, что p пропорционально v . Коэффициент пропорциональности m называется массой частицы. Так что p = m v

В специальной теории относительности мы тоже можем определить импульс частицы p так, что он ведёт себя вполне определённым образом, и ньютоновский импульс является частным случаем. Хотя векторы p и v направлены одинаково, оказалось, что в общем случае они не пропорциональны; лучшее, что можно сделать, ввести релятивистскую массу m rel . Таким образом

Когда частица не движется, её релятивистская масса минимальна. Это масса покоя m rest . Масса покоя одинакова для одного вида частиц. Например, все протоны, электроны, нейтроны имеют одинаковые массы покоя; их можно найти в справочнике. По мере ускорения частицы до всё большей скорости, её релятивистская масса неограниченно возрастает.

Оказалось, что в специальной теории относительности можно ввести понятие энергии E , имеющей вполне определённые свойства, подобно энергии в ньютоновской механике. Если частица ускорена, имеет некоторый импульс p (длина вектора p ) и релятивистскую массу m rel , то её энергия определяется по формуле

Есть два интересных случая этого уравнения:
1. Для частицы в покое p = 0 , и E = m rest c 2
2. Если подставить массу покоя, равную нулю (неважно, имеет ли это смысл), то E = pc

В классической электродинамике свет имеет энергию E и импульс p , которые связаны формулой E = pc .

Квантовая механика рассматривает свет как «частицы» — фотоны. Хотя фотоны нельзя остановить и понятие массы покоя к ним не вполне применимо, мы можем использовать для них уравнение (1) просто считая, что масса покоя фотона равна нулю. В этом случае уравнение (1) справедливо для света E = pc .

Таким образом, уравнение (1) верно и для частиц вещества и для «частиц» света. Оно оказалось общим, и очень полезным.

Доказано ли экспериментально, что фотон имеет нулевую массу покоя?

В некоторых теориях фотон имеет параметры, делающие его поведение похожим на поведение частиц с массой, и поэтому рассматривается идея массивного фотона . Если бы масса покоя фотона была не нулевой, то в квантовой электродинамике возникли бы проблемы, в первую очередь из-за потери калибровочной инвариантности, что сделало бы теорию не перенормируемой; кроме того, не было бы гарантировано сохранение заряда, которое выполняется благодаря нулевой массе покоя фотона.

Что бы ни предсказывали теории, эти предсказания нужно проверять экспериментально. Скорее всего невозможно выполнить какой-то эксперимент, который докажет, что масса покоя фотона точно равна нулю. Лучшее, на что можно надеяться — это определение диапазона величины. Ненулевая масса покоя привела бы к нарушению закона обратных квадратов для электростатической силы Кулона. Электростатическая сила на очень большом расстоянии была бы слабее. Поведение статического магнитного поля тоже бы изменилось. Верхний предел массы покоя фотона можно определить по спутниковым измерениям магнитного поля планеты. По результатам спутника Charge Composition Explorer (1984г) с достаточно хорошей точностью установлено, что верхний предел равен
6 ? 10 ?16 eV

В 1998 году Roderic Lakes, используя маятник Кавендиша, уточнил этот результат в лабораторном эксперименте по определению аномалии сил. Новое значение предела
7 ? 10 ?17 eV

Изучение галактических магнитных полей даёт ещё более низкий предел
3 ? 10 ?27 eV ,
но этот метод пока не считается надёжным.

cyber-ek.ru

Без Космоса нет будущего!

Недавно опубликованная мною концепция квазистационарной Вселенной вызвала на этом сайте целую бурю мексиканских страстей, которая не утихла и по сей день. Одним из факторов неприятия этой концепции послужила проблема существования у фотона массы покоя. Не думаю, что мне удалось убедить всех в правомерности моего мнения о наличии у фотона массы покоя, поэтому и решил продолжить дискуссию, но уже на несколько ином уровне понимания.

Для начала я просто поискал в Сети информацию о том, что думают учёные о массе фотона вообще и о его массе покоя в частности. Написано на эту тему так много, что не стоило даже и пытаться проанализировать всё, — на это и десяти жизней не хватило бы. Хотя, в сущности, особой разницы во мнениях не существует. Поэтому я выбрал три статьи, взял наиболее информативные выдержки из них, и предлагаю всем вместе подумать над написанным.

Почему же фотон в состоянии покоя не имеет массы (и вообще не существует)? Этому есть несколько объяснений. Первое – данный вывод следует из формул . Второе – так как свет обладает дуальной природой (является как волной, так и потоком частиц), то, очевидно, понятие массы совершенно неприменимо к излучению . Третье – логическое: представим себе быстро вращающееся колесо. Если посмотреть сквозь него, то вместо спиц можно увидеть некий туман, дымку. Но стоит начать снижать скорость вращения, как дымка постепенно исчезает, а после полной остановки остаются лишь спицы . В данном примере дымка – это частица, названная «фотон». Ее можно наблюдать только в движении, причем со строго определенной скоростью. Если скорость падает ниже 300 тыс. км/с, то фотон исчезает .

«Данный вывод следует из формул» — аргумент весьма слабый, хотя бы по той простой причине, что никакие физические формулы не могут быть абсолютно точными. При их выводе очень часто используется принцип пренебрежения бесконечно малыми величинами, — а значит, всегда остаётся лазейка для ошибки. Поскольку вычисленная мною масса покоя фотона крайне мала (1,07721·10 —68 кг), вполне можно ожидать, что приравнение к нулю столь малой величины стало следствием пренебрежения каким-либо бесконечно малым слагаемым в длинной цепочке формул.

Далее бросаются в глаза явные противоречия. По логике авторов статьи, фотон не может обладать ненулевой массой покоя, поскольку он обладает волновыми свойствами. Но ведь каждому, кто изучал квантовую физику или хотя бы знаком с уравнениями Шрёдингера и де Бройля, известно: волновыми свойствами обладает не только фотон, но и все без исключения элементарные частицы. Значит, если пользоваться такой логикой, — ни протон, ни электрон не могут иметь массы покоя. Однако все мы знаем, что это не так. Следовательно, применения такого рода вывернутой наизнанку логики абсолютно неправомерно.

Представляя фотон как некую «дымку», наблюдаемую при вращении колеса со спицами, авторы статьи, похоже, полностью потеряли всякое понимание сути вопроса. Хорошо, будем считать аналогию между «дымкой» и фотоном удачной. Но читаем дальше: «стоит начать снижать скорость вращения, как дымка постепенно исчезает, а после полной остановки остаются лишь спицы». Снижение скорости вращения колеса в рамках данной аналогии равнозначно снижению скорости движения фотона. А остановка, после которой «остаются лишь спицы» — это полная аналогия состояния покоя фотона. То есть, доказывая таким способом отсутствие у фотона массы покоя, авторы статьи даже сами не заметили, как доказали обратное: что масса покоя фотона существует.

«Дымка» символизирует волновые свойства фотона, которые постепенно исчезают при снижении скорости его движения. А что символизируют спицы остановившегося колеса? Покоящийся фотон, не обладающий волновыми свойствами. И такой взгляд на проблему абсолютно правомерен. Ведь в квантовой физике волновыми свойствами обладают лишь движущиеся частицы. Покоящийся электрон или протон ведёт себя исключительно как частица, не проявляя никаких волновых свойств.

И последний ляпус цитируемой статьи: «Если скорость падает ниже 300 тыс. км/с, то фотон исчезает». Куда исчезает? Это ведь прямое нарушение закона сохранения энергии. А значит, авторы статьи неправы в своих рассуждениях.

А вот ещё две статьи, в которой прямо утверждается об отсутствии массы покоя у фотона.

При использовании зависимостей (8.4) и (8.5) обычно не подчеркивается, что масса фотона, фигурирующая в этих зависимостях, является массой движения. а массы покоя фотон не имеет. В этой связи высказываются мнения, что масса фотона является такой же массой (и даже мерой материи), как и у частиц вещества. Этому способствует некорректное представление о фотоне как о стабильной частице. В действительности фотон не является стабильной частицей и не имеет массы покоя .

Фотон относится к калибровочным бозонам. Он не имеет массы покоя и электрического заряда, стабилен .

Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте и теоретических обоснованиях

Поскольку фотон — безмассовая частица, он движется в вакууме со скоростью c (скорость света в вакууме)

По прочтении приведённых цитат сразу же возникает вопрос: так стабилен фотон или не стабилен? В физике элементарных частиц «нестабильность» какой-либо частицы означает, что данная частица обладает свойством распадаться на две или более элементарные частицы. К примеру, свободный нейтрон живёт 14-15 минут, самопроизвольно (без всяких внешних причин) распадаясь затем на три частицы: протон, электрон и электронное антинейтрино.

Вопрос на засыпку: через какое время и на какие частицы распадается фотон? Не ищите ответа в справочниках и в Интернете, только напрасно потеряете время. Фотон стабилен. А это означает, что вторую статью можно смело отправлять вслед за первой.

Ну, а из третьей цитируемой здесь статьи видно, что проблема массы покоя фотона далека от решения. «Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте и теоретических обоснованиях». Вопрос: легко ли в ходе эксперимента обнаружить массу, равную 1,07721·10 —68 кг? Чтобы оценить масштаб возникающих здесь сложностей, стоит вспомнить о другой проблеме, близкой к рассматриваемой. Около полувека, основываясь на эксперименте и теоретических обоснованиях, учёный мир считал, что и масса покоя нейтрино равна нулю. В 70-х годах возникли первые сомнения в этом, и где-то на рубеже веков появились данные, что нейтрино всё же обладает энергией покоя порядка нескольких электрон-вольт, что соответствует массе порядка 10 —36 кг (? в 10000 раз меньше массы электрона). И до сих пор экспериментаторы не смогли получить однозначного ответа, действительно ли масса нейтрино такова, или же она всё-таки равна нулю. Как видите, не так просто отличить от нуля массу в 10 —36 кг. Конечно, тут одна из сложностей вызвана тем, что нейтрино крайне слабо взаимодействует с веществом. Однако его предполагаемая масса покоя попросту колоссальна в сравнении с вычисленной мною массой покоя фотона. Соотношение получается 10 32 :1. То есть нейтрино примерно во столько же раз массивнее фотона, во сколько Солнце (масса которого 2·10 30 кг) массивнее 10-граммовой гирьки аптечных весов. Вот и скажите: если до сих пор экспериментально не доказано и не опровергнуто существование колоссальной массы покоя нейтрино — можно ли требовать от экспериментаторов ответа на вопрос о существовании крохотной массы покоя фотона? Разумеется, нет.

Поэтому нет и никаких фактических оснований категорически утверждать, что масса покоя равна нулю.

Ну, а последнее утверждение «Поскольку фотон — безмассовая частица, он движется в вакууме со скоростью c (скорость света в вакууме)» являет собой всего лишь логическую инверсию столь же бездоказательного утверждения «Фотон всегда движется со скоростью света, поскольку его масса покоя равна нулю».

В чём же, на мой взгляд, заключается причина устойчивой убеждённости в нулевой массе покоя фотона? Всё просто. «Скорость света» априори отождествляется со «скоростью фотона». Но на самом деле следует понимать иначе: скорость света — это скорость распространения электромагнитной волны, порождаемом движущимся фотоном. При этом скорость движения самого фотона не обязательно должна совпадать со скоростью волны. Ведь дебройлевские волны, порождаемые другими движущимися частицами, распространяются со скоростями, отличными от скоростей самих частиц.

КОММЕНТАРИИ ВРЕМЕННО ОТКЛЮЧЕНЫ ( Для уменьшения температуры спора до окружающей!) 🙂

cosmos.mirtesen.ru

  • Механика (56)
    • Кинематика (19)
    • Динамика и статика (32)
    • Гидростатика (5)
    • Молекулярная физика (25)
      • Уравнение состояния (3)
      • Термодинамика (15)
      • Броуновское движение (6)
      • Прочие формулы по молекулярной физике (1)
    • Колебания и волны (22)
    • Оптика (9)
      • Геометрическая оптика (3)
      • Физическая оптика (5)
      • Волновая оптика (1)
      • Электричество (39)
      • Атомная физика (15)
      • Ядерная физика (3)
        • Квадратный корень, рациональные переходы (2)
        • Квадратный трехчлен (1)
        • Координатный метод в стереометрии (1)
        • Логарифмы (1)
        • Логарифмы, рациональные переходы (1)
        • Модуль (1)
        • Модуль, рациональные переходы (1)
        • Планиметрия (1)
        • Прогрессии (1)
        • Производная функции (1)
        • Степени и корни (1)
        • Стереометрия (1)
        • Тригонометрия (1)
        • Формулы сокращенного умножения (1)
        • Масса фотона — это масса элементарной частицы (фотона), квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это частица, способная существовать и иметь массу только двигаясь со скоростью света.

          Фотон не может иметь массу покоя, она будет равняться нулю. Фотон обладает массу, когда он двигается со скорость света.

          Так же фотон имеет:

          Энергия фотона:

          Импульс фотона:

          В Формуле мы использовали :

          — Масса фотона

          — Энергия фотона

          — Постоянная Планка

          — Частота волны

          — Скорость света в вакууме

          — Длина волны

          xn--b1agsdjmeuf9e.xn--p1ai

          После того, как я указал, что масса фотона нулевая — мне вежливо указали на дверь. Тут я задумался, наверное я действительно не прав, масса фотона чему то равна. Но тогда возникает вопрос чему? Сапоставима ли она с массой нейтрино? В ряде справочников указывается, что энергия света на порядок больше энергии нейтрино. Но под светом поразумевается ли фотоны ? С другой стороны, все мы знаем формулу Энштейна Е=мс2, если энергия есть, то должна быть и масса. Есть ли она у фотона ?

          Другая сторона вопроса есть ряд экспериментов которые объясняются с позиции частицы света, и параллельно другие эксперименты объясняются с точки зрения волновой природы света. Но как одно перетекает в другое — нет нигде объяснений, или я просто о них не знаю ? Тогда становиться интересно как фотон превращается в волну ? И наоборот ?

          Еще принято говорить о кванте света ? Спрашивается это и есть фотон ? Тогда вопрос какое количество фотонов различимо нашим глазом, какой объем фотонов для этого нужен ? Зависит ли цвет света о количества фотонов, или цвет зависит от других характеристик фотона ?

          Эти и ряд других вопросов, наука скромно обходит молчанием ? Пока мне это не понятно — может кто «умнейший» даст хоть намек на разрешения поставленных вопросов ?

          Нулевой является масса покоя фотона, поскольку покоящихся фотонов в природе попросту не бывает — все фотоны двигаются со скоростью света. Можно считать, что это просто условность. Массу же движущегося фотона можно просто вычислить из формул Планка E = hv и Эйнштейна E=mc^2, где h — постоянная Планка, v — частота фотона, E — его энергия, m — масса, с — скорость света. Кстати, согласно специальной теории относительности, ни одно тело, чья масса покоя отлична от нуля, не может двигаться со скоростью света — чтобы его разогнать до такой скорости, потребовалось бы бесконечное количество энергии.

          Насчёт корпускулярно-волнового дуализма — свет представляет собой и не волну, и не поток частиц, а нечто третье, которое в одних условиях, например в опытах по дифракции, ведёт себя как волна, наподобие той, что можно видеть на поверхности воды, а в других, например, при фотоэффекте — как частица, наподобие мячика. Такой феномен свойственнен не только фотонам, но и другим элементарным частицам — электронам, протонам и прочим.

          Да, фотон — это и есть квант света. Насчёт количества фотонов, которые можно увидеть — говорят, что человеческий глаз может зарегистрировать даже один фотон — настолько совершенный это прибор. Цвет же зависит не от количества фотонов, а от их частоты — самая низкая частота у красного, самая высокая — у фиолетового.

          ru.vlab.wikia.com

  • Рубрики: Ремонт