Les photons ont-ils la masse?

Contenu

• TL; DR (Trop long; n'a pas lu)
• Les photons n'ont pas de masse inertielle ni de masse relativiste
• Les photons ont de l'élan
• La lumière est affectée par la gravité

Lorsque vous entendez cela pour la première fois, l’idée que la lumière puisse avoir une masse peut sembler ridicule, mais si elle n’a pas de masse, pourquoi la lumière est-elle affectée par la gravité? Comment pourrait-on dire que quelque chose sans masse a un élan? Ces deux faits sur la lumière et les «particules de lumière» appelées photons peuvent vous faire réfléchir à deux fois. Il est vrai que les photons n’ont pas de masse inertielle ni de masse relativiste, mais l’histoire ne se limite pas à cette réponse élémentaire.

TL; DR (Trop long; n'a pas lu)

Les photons n'ont pas de masse inertielle ni de masse relativiste. Des expériences ont démontré que les photons ont une impulsion, cependant. La relativité restreinte explique cet effet théoriquement.

La gravité affecte les photons de la même manière que la matière. La théorie de la gravité de Newton l’interdirait, mais les résultats expérimentaux la confirmant confortent fortement la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Les photons n'ont pas de masse inertielle ni de masse relativiste

La masse inertielle est la masse définie par la deuxième loi de Newton: une = F / m. Vous pouvez considérer cela comme la résistance de l’objet à l’accélération lorsqu’une force est appliquée. Les photons n'ont pas cette résistance et voyagent à la vitesse la plus rapide possible dans l'espace - environ 300 000 kilomètres par seconde.

Selon la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, tout objet dont la masse au repos acquiert une masse relativiste à mesure qu’il gagne en impulsion, et si quelque chose atteignait la vitesse de la lumière, il aurait une masse infinie. Les photons ont-ils une masse infinie parce qu’ils se déplacent à la vitesse de la lumière? Comme ils ne s’arrêtent jamais, il est logique qu’ils ne puissent pas être considérés comme ayant une masse au repos. Sans masse au repos, elle ne peut pas être augmentée comme d’autres masses relativistes, c’est pourquoi la lumière est capable de voyager aussi rapidement.

Cela produit un ensemble cohérent de lois physiques en accord avec les expériences, de sorte que les photons n'ont pas de masse relativiste ni de masse inertielle.

Les photons ont de l'élan

L'équation p = mv définit l'élan classique, où p est l'élan, m est la masse et v est la vitesse. Cela conduit à l’hypothèse que les photons ne peuvent pas avoir d’élan car ils n’ont pas de masse. Cependant, des résultats tels que les fameuses expériences de Compton Scattering montrent qu’ils ont un élan, aussi déroutant que cela puisse paraître. Si vous tirez des photons sur un électron, ils se dispersent à partir d'électrons et perdent de l'énergie d'une manière compatible avec la conservation de la quantité de mouvement. C’était l’un des éléments de preuve essentiels utilisés par les scientifiques pour régler le différend selon lequel la lumière se comportait parfois comme une particule ou comme une onde.

L’expression énergétique générale d’Einstein offre une explication théorique de la raison pour laquelle cela est vrai:

E² = p²c² + m_{du repos}²c²

Dans cette équation, c représente la vitesse de la lumière et m_{du repos} est la masse de repos. Cependant, les photons n’ont pas de masse au repos. Ceci réécrit l'équation comme suit:

E² = p²c²

Ou plus simplement:

p = E / c

Cela montre que les photons de haute énergie ont plus d’élan, comme on peut s’y attendre.

La lumière est affectée par la gravité

La gravité modifie le cours de la lumière de la même manière que le cours de la matière ordinaire. Dans la théorie de la gravité de Newton, la force n’affectait que les objets à masse inertielle, mais la relativité générale était différente. La matière déforme l'espace-temps, ce qui signifie que les objets qui se déplacent en ligne droite empruntent des chemins différents en présence d'un espace-temps incurvé. Cela affecte la matière, mais aussi les photons. Lorsque les scientifiques ont observé cet effet, il est devenu un élément de preuve déterminant de l’exactitude de la théorie d’Einstein.