为什么光子没有质量却有动量(为什么光子的速度不变)
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当我们说一个光子没有质量时,我们的意思是它没有静止质量,但光子有运动质量。为什么光子和地球一直在运动,但是为什么地球有静止质量,而光子没有?有人会说光子没有静止质量,但是有相对论质量。前者说明光子包含质量,后者说明质量是独立于光子状态的静止质量。如果任何物体达到光速,其质量都会变得无限大,那么为什么光子的质量会无限小呢?
光子没有质量?为什么能推动物体?
静止光子没有质量,但它拥有能量和动量,有动量就能推动物体。当然,也有人会说,光子没有静止质量,但它拥有相对论质量。这可以通过两个公式来体会。首先光子的能量公式是:E=hf(h是普朗克常数,f是光的频率)然后再按照爱因斯坦著名的质能方程是:E=mc^2结合这两个公式就可以推导出,可以推导出光子的运动质量,也就是所谓的相对论质量。
但其实,按照麦克斯韦的电磁理论,电磁波本来就带有动量——光子也是一种电磁波——只要有动量,动量就可以发生转移,因此光子就能够产生出辐射压(电磁辐射)。图示:P是光子动量,h是普朗克常数,λ是波长。波长越短的光子,动量越大。如何测量光压或辐射压?早在1619年,天文学家开普勒,就用想象中的辐射压力来解释彗星的尾巴为何总是远离太阳,从来没有出现过,彗尾对着太阳的彗星。
图示:彗星围绕太阳的运行时,彗尾总是远离太阳,这需要一个特别的解释。当彗星被太阳加热后,产生的挥发性气体构成了彗尾。但彗尾总是远离太阳,需要一个解释,开普勒认为,这是由于光具有某种压力,推动着彗尾远离太阳,而且这种压力一定大于太阳对彗尾中那些挥发性物质的吸引力,所以彗尾才总是远离太阳。顺便说一句,当所有挥发性物质都被蒸发后,彗星就变成了小行星。
图示:1865年,儒勒·法尔纳的科幻小说《从地球到月球》中,率先推出想象中的太阳帆技术,看来法尔纳赞同开普勒的猜想,而且率先想到了它的潜在用处。当麦克斯韦写出他的电磁方程式后,电磁方程说光拥有动量,这也就意味着,光照射到物体上时,只要不是完全透明的物体,当光子从该物体表面被反射时,那就会产生辐射压力。
但仅仅理论推导是不够的,还得用实验来证明辐射压或光压是真实存在的。1900年,俄国物理学家找到了测量光压的办法,在1900年的巴黎世界物理学大会上,彼得·列别捷夫宣布了他的辐射压测量实验成果。这项实验也成为第一个定量验证麦克斯韦电磁学理论的实验,事实证明麦克斯韦的电磁理论靠谱,从此它就成为指导人们利用电磁波给人类谋福利的核心理论。
太阳帆研究现状图示:NASA的太阳帆设想图太阳能发电不稀奇,不管是在地球上还是太空里,许多卫星、月球或火星上的漫游车,都在使用太阳能发电。但直接用太阳光的辐射压力来进行星际航行,目前依然处在研究阶段。太阳帆最大的问题在于,随着离太阳越来越远,能够接受到的光压也越来越少,它不适合星际航行,只适合在太阳系中搞事,而且是在内太阳系中搞事。
光子没有质量没有电荷,为什么会因为恒星而弯曲?
我们通常说的光子没有质量,指的是它没有静质量,不过光子有动质量。而且光子有一个特点,它“生下来”就是光速,而且没有任何加速过程,直接都是以光速前行。不想我们普通物体,要想达到一定速度,肯定有一个加速过程!所以,说光子没有质量并不严谨。既然有质量,因为恒星而弯曲就不难理解了,因为恒星引力巨大,大到足以使光线发生弯曲!事实上光线经过恒星附近发生弯曲的本质是恒星强大的质量压缩了周围的时空,光线不得不沿着时空结构飞行,这从侧面也证实了爱因斯坦广义相对论的正确性!而光线因为恒星弯曲与黑洞吞噬光线的本质是一样的,只不过黑洞的引力太了,以至于连光线这么快的速度也无法逃离黑洞致命的“魔爪”!黑洞能把周围的时空结构扭曲到极致!。
根据相对论,物体的速度越大质量越大,为什么光子却几乎没有质量?
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