Os fótons têm massa?

Contente

• TL; DR (muito longo; não leu)
• Os fótons não possuem massa inercial nem massa relativística
• Fótons têm impulso
• A luz é afetada pela gravidade

Quando você a ouve pela primeira vez, a ideia de que a luz pode ter massa pode parecer ridícula, mas se não tem massa, por que a luz é afetada pela gravidade? Como se pode dizer que algo sem massa tem impulso? Esses dois fatos sobre a luz e as "partículas de luz" chamadas fótons podem fazer você pensar duas vezes. É verdade que os fótons não têm massa inercial ou massa relativística, mas há mais na história do que apenas essa resposta básica.

TL; DR (muito longo; não leu)

Os fótons não têm massa inercial nem massa relativística. Experimentos demonstraram que os fótons têm impulso, no entanto. A relatividade especial explica esse efeito teoricamente.

A gravidade afeta os fótons de maneira semelhante à maneira como afeta a matéria. A teoria da gravidade de Newton proibiria isso, mas os resultados experimentais que a confirmam adicionam forte apoio à teoria da relatividade geral de Einstein.

Os fótons não possuem massa inercial nem massa relativística

Massa inercial é a massa definida pela segunda lei de Newton: uma = F / m. Você pode pensar nisso como a resistência do objeto à aceleração quando uma força é aplicada. Os fótons não têm essa resistência e viajam na velocidade mais rápida possível no espaço - cerca de 300.000 quilômetros por segundo.

De acordo com a teoria da relatividade especial de Einstein, qualquer objeto com massa em repouso ganha massa relativista à medida que aumenta em momento, e se algo atingisse a velocidade da luz, teria massa infinita. Então, os fótons têm massa infinita porque viajam na velocidade da luz? Como eles nunca descansam, faz sentido que eles não possam ser considerados como tendo massa de descanso. Sem uma massa em repouso, ela não pode ser aumentada como outras massas relativísticas, e é por isso que a luz é capaz de viajar tão rapidamente.

Isso produz um conjunto consistente de leis físicas que concordam com os experimentos; portanto, os fótons não têm massa relativista e massa inercial.

Fótons têm impulso

A equação p = mv define o momento clássico, onde p é impulso, m é massa e v é velocidade. Isso leva à suposição de que os fótons não podem ter impulso porque não têm massa. No entanto, resultados como os famosos experimentos de dispersão de Compton mostram que eles têm impulso, por mais confuso que pareça. Se você disparar fótons em um elétron, eles se dispersam dos elétrons e perdem energia de uma maneira consistente com a conservação do momento. Essa foi uma das principais evidências que os cientistas usaram para resolver a disputa sobre se a luz se comportava tanto como uma partícula quanto como uma onda.

A expressão geral de energia de Einstein oferece uma explicação teórica de por que isso é verdade:

E² = p²c² + m_descansar²c²

Nesta equação, c representa a velocidade da luz e m_descansar é a massa restante. No entanto, os fótons não têm massa de repouso. Isso reescreve a equação como:

E² = p²c²

Ou, mais simplesmente:

p = E / c

Isso mostra que os fótons de energia mais alta têm mais impulso, como seria de esperar.

A luz é afetada pela gravidade

A gravidade altera o curso da luz da mesma maneira que altera o curso da matéria comum. Na teoria da gravidade de Newton, a força afetava apenas as coisas com massa inercial, mas a relatividade geral é diferente. A matéria distorce o espaço-tempo, o que significa que as coisas que viajam em linhas retas seguem caminhos diferentes na presença do espaço-tempo curvado. Isso afeta a matéria, mas também afeta os fótons. Quando os cientistas observaram esse efeito, tornou-se uma peça fundamental de evidência de que a teoria de Einstein estava correta.