Question:
Comment un photon peut-il ne pas avoir de masse et voyager à la vitesse de la lumière?
user1500
2011-01-22 03:03:39 UTC
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J'ai lu un certain nombre de Q&As utiles sur les photons qui mentionnent le problème masse / masse-less. Dois-je bien comprendre que l'idée de masse sans (une masse au repos de 0) peut être juste une convention pour faire fonctionner les équations?

Du point de vue d'un profane, il est difficile de comprendre comment une particule de lumière (photon) peut être sans masse. Un objet physique (quotidien grand ou quantique) doit avoir une masse. Pourtant, si ma compréhension est correcte, la masse d'un objet / particule en mouvement augmente proportionnellement à sa vitesse / vitesse ... de sorte qu'à la vitesse de la lumière, sa masse serait infinie. Un photon voyage à la vitesse de la lumière, mais il n'a évidemment pas une masse infinie, non? Quelqu'un peut-il formuler une explication pratique qui peut être comprise du collège aux lycéens? Merci beaucoup pour l'aide.


Wow - vos réponses à ma Q originale ci-dessous éclaircissent une grande partie de ma confusion. J'ai maintenant la tâche ardue de passer en revue ces pépites et d'élaborer une explication sans équation (espérons-le) du photon sans masse pour les types non physiciens.

Oui, du point de vue d'un profane , il semble remarquable qu’un morceau de matière existant - qui doit être constitué de substance physique - puisse avoir une masse nulle au repos (bien qu’un photon n'est jamais au repos). Ce serait presque compréhensible si un morceau de matière fait de rien n'avait aucune masse, mais cela semble être un oxymore, et "rien" équivaudrait à inexistant, non?

Au cas où vous pourriez trouver cela intéressant: je travaille sur un projet d'écriture qui postule que nous habitons un univers composé uniquement de matière (substance physique), et que le NON-physique (alias surnaturel) ne fait pas (et ne peut pas ) existent. Par exemple, si un prétendu phénomène surnaturel existe réellement, alors par définition, son existence est la preuve qu'il est banal / naturel. Tout ce qu'il faudrait pour réfuter cette prémisse est une preuve fiable qu'un événement surnaturel s'est produit. Malgré des milliers de telles affirmations, cela n'est encore jamais arrivé.

Qui d'autre que les physiciens pour confirmer ma prémisse? Cependant, je souhaite que les physiciens de la télévision expliquent les termes qu'ils évoquent, dont certains trompent / confondent leurs téléspectateurs profanes. Exemple concret: "L'univers est composé de matière et d'énergie" (sans définir correctement le terme "énergie" comme une propriété de la matière).

Le résultat est que les profanes ont l'impression que l'énergie doit donc être quelque chose en dehors ou indépendant de la matière (c'est-à-dire non physique). Leur utilisation du terme «énergie pure» sans préciser exactement ce que cela signifie ajoute à la confusion. (Grâce à vos réponses sur ce forum, je comprends maintenant que "énergie pure" fait référence aux particules de photons.) Cependant, les "médiums" et autres charlatans profitent d'une telle confusion en détournant des termes comme énergie (comme dans "énergie psychique"), fréquences, vibrations, etc. pour donner une légitimité scientifique perçue à leurs affirmations selon lesquelles un monde spirituel surnaturel, etc., existe. Comme vous vous en rendez peut-être compte, la majorité des gens aux États-Unis (d'après le sondage Harris 2009) et dans le monde croient en l'existence d'éléments non physiques / surnaturels tels que les fantômes et les esprits.

Mon but est de donner aux profanes les informations dont ils ont besoin pour distinguer ce qui est réel de ce qui ne l'est pas.

Merci beaucoup pour votre aide ... Et, S'IL VOUS PLAÎT, ajoutez tout autre commentaire que vous pensez utile / perspicace pour mieux informer les profanes.

Neuf réponses:
#1
+51
Luboš Motl
2011-01-22 03:39:06 UTC
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Il n'y a absolument rien de conventionnel dans la masse des différentes espèces de particules. Pour toute particule se déplaçant dans le vide, vous pouvez mesurer l'énergie totale $ E $ (y compris l'énergie latente) et l'élan $ p $. Il s'avère expérimentalement - et la théorie de la relativité spéciale d'Einstein garantit - que la combinaison $$ E ^ 2 - p ^ 2 c ^ 2 $$ ne dépend pas de la vitesse mais seulement du type de particule. C'est une quantité décrivant le type de particule et nous l'appelons $$ E ^ 2 - p ^ 2 c ^ 2 = m_0 ^ 2 c ^ 4 $$ Ceci détermine la masse résiduelle $ m_0 $ de la particule. La formule ci-dessus fonctionne pour n'importe quelle particule dans le vide, n'importe quelle vitesse et est toujours non singulière. Les photons ont $ E = pc $ ce qui implique que $ m_0 = 0 $. La masse au repos d'un photon est égale à zéro.

En effet, c'est aussi la raison pour laquelle on ne peut pas vraiment avoir un photon au repos, $ v = 0 $. Si une vitesse de quelque chose est $ c $ dans un cadre de référence, elle restera $ c $ dans n'importe quel cadre de référence (non singulier) - c'est un autre postulat de la théorie de la relativité spéciale. On ne peut donc jamais rendre la vitesse du photon nulle en passant à un autre cadre de référence (non singulier).

Mais si vous voulez voir des valeurs pour toutes les quantités, vous pouvez imaginer qu'un photon au repos pourrait exister et que sa masse totale serait nulle. À la vitesse $ v $, la masse est augmentée à $$ m_ {total} = \ frac {m_ {0}} {\ sqrt {1-v ^ 2 / c ^ 2}} $$ Pour $ m_0 = 0 $ et $ v = c $, l'expression ci-dessus est clairement une forme indéterminée $ 0/0 $ et son résultat approprié peut être n'importe quoi. En particulier, la valeur correcte est n'importe quel nombre fini. À la bonne vitesse, $ v = c $, les photons sans masse peuvent avoir n'importe quelle énergie finie.

Il y a un problème avec cette dérivation, à savoir que nous ne pouvons pas utiliser $ E = pc $ (sans faire d'argument circulaire) car AFAIK il n'y a aucun moyen de dériver $ E = pc $ autrement qu'en définissant $ m = 0 $ dans le $ E ^ 2 = (m_0c ^ 2) ^ 2 + (pc) ^ 2 $. Même avec l'équation de De Broglie.
Cher @clicky-hacky-clicky-hacky, Je n'essayais pas de prétendre que l'on peut tirer l'identité de "rien". Certaines formules ou principes doivent toujours être supposés - et défendus par une comparaison réussie des résultats avec les expériences. C'est pourquoi les critiques de la «circularité» en physique passent complètement à côté du statut épistémique des sciences naturelles en général.
@LubošMotl Vous avez affirmé que les photons avaient $ E = pc $, (la chose qui peut être dérivée en utilisant la formule d'énergie-momentum uniquement en définissant $ m = 0 $), vous avez ensuite branché ce résultat dans cette même équation et montré que $ m = 0 $. N'est-ce pas cette * logique * circulaire et donc n'est-ce pas faux? http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_reasoning Et merci au passage pour l'appel génial 'c-h-c-h', vous êtes très gentil.
Cher @clicky-hacky-clicky-hacky,, désolé d'utiliser une version translittérée de votre nom via le tchèque (orig: klikyháky, klikykáky). :-) Je n'ai pas le bon clavier pour écrire votre nom et copier-coller serait insensé et irrespectueux ... vous appelez «raisonnement circulaire», cela ne signifie sûrement pas que l'une des affirmations est fausse. Au lieu de cela, tout ce que j'écris et tout ce que j'ai écrit dans ma vie, plus ou moins, est vrai. En physique, certaines affirmations doivent être supposées / extraites d'observations.
#2
+28
David Z
2011-01-22 04:12:25 UTC
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Ai-je bien compris que l'idée de masse-less (une masse au repos de 0) peut être juste une convention pour faire fonctionner les équations?

Non, un photon a vraiment une masse nulle. Vous pouvez le considérer comme une particule "d'énergie pure" si cela vous aide à en comprendre le sens, mais le seul sens dans lequel cela est valable est qu'un photon a de l'énergie mais pas de masse.

Pourtant, si ma compréhension est correcte, la masse d'un objet / particule en mouvement augmente proportionnellement à sa vitesse / vitesse ...

Non, en fait la masse est un invariant relativiste. Chaque objet a sa propre masse intrinsèque qui est toujours la même quelle que soit la vitesse à laquelle l'objet se déplace. Ce qui augmente, c'est l ' énergie . Pour les objets massifs, ils sont liés par la formule citée par Luboš,

$$ E = \ frac {mc ^ 2} {\ sqrt {1 - v ^ 2 / c ^ 2}} $$

(notez que mon $ m $ correspond à son $ m_0 $).

Voici une petite motivation historique. Au début de la relativité, les physiciens se sont rapidement rendu compte qu'à mesure qu'un objet accélère, il devient de plus en plus difficile d'augmenter sa vitesse d'une quantité donnée. C'est une façon d'exprimer la raison pour laquelle aucun objet ne peut dépasser la vitesse de la lumière. Maintenant, nous disons qu'un objet qui est plus difficile à déplacer a plus d'inertie, et la convention qui prévaut était que l'inertie devait être liée à la masse, il était donc logique qu'un objet se déplaçant plus rapidement ait plus de masse, dans un certain sens. Les physiciens ont inventé le terme «masse relativiste» pour désigner cette quantité.

Cependant, ils ont également reconnu que la masse relativiste d'un objet au repos était particulière, car (par exemple) c'était le minimum possible masse relativiste que l'objet pourrait avoir; c'est la quantité de masse intrinsèque à l'objet. À juste titre, ils ont qualifié cela de "masse de repos".

Au cours des dernières années, incités en partie par la découverte de la relativité générale, les physiciens ont réalisé qu'il était plus logique de dire que l'inertie est liée à l ' énergie , pas seulement à la masse. Après tout, GR vous dit qu'il y a d'autres choses que la masse qui contribuent à la gravité, il est donc logique qu'il y ait d'autres choses que la masse qui contribuent à l'inertie. Donc le terme «masse relativiste» est tombé en disgrâce (enfin, en quelque sorte, il y a encore un bon nombre de personnes qui l'utilisent) et les physiciens ont juste commencé à parler d'énergie à la place. Les deux sont simplement liés par l'équation

$$ E = m_ \ text {rel} c ^ 2 $$

C'est la célèbre équation que les gens associent à Einstein, bien qu'ils oubliez souvent l'indice "rel" et cela conduit à beaucoup de confusion ;-)

Maintenant que "masse" n'est pas utilisé pour décrire la chose-qui-est-liée-à-l'inertie d'un objet en mouvement, nous pouvons simplement utiliser ce mot pour décrire la «masse intrinsèque» ou la «masse de repos» sans aucune confusion. (Encore une fois, en quelque sorte; il y a encore un bon nombre de personnes qui parlent de «masse de repos» et il est possible de se confondre lorsque différents groupes avec des conventions différentes se parlent.) Donc, de nos jours, la «masse» fait référence à ce qui anciennement connu sous le nom de «masse de repos». Comme je l'ai dit, chaque objet a sa propre masse particulière, et pour un photon, cela se trouve être nul. Comme l'a dit Luboš, seuls les objets de masse nulle peuvent voyager à la vitesse de la lumière, sinon l'énergie ne serait pas définie.

Pour donner un sens au photon, souvenez-vous de l'équation complète d'Einstein

$$ E ^ 2 = m ^ 2 c ^ 4 + p ^ 2 c ^ 2 $$

qui dit que l'énergie provient à la fois de la masse et de l'élan. Donc, même si une particule n'a pas de masse, elle peut toujours obtenir son énergie de l'élan, et les photons ont en effet à la fois de l'énergie et de l'élan.

David - Je ne veux pas être pinailleur, et je sais mathématiquement qu'il n'y a pas de différence, mais d'un point de vue physique (et didactique) il y a une énorme différence: nous ne devrions pas écrire la relation masse-énergie-momentum en Forme pythagoricienne. Il s'agit d'une équation de la norme du vecteur énergie-impulsion dont le format propre est le format invariant: masse d'un côté et énergie-impulsion de l'autre. Cela rend la signature Minkowski explicite et empêche les lecteurs profanes de se tromper.
Objection @Johannes: notée, mais dans ce cas j'exprime l'énergie comme la combinaison des contributions de la masse et de l'élan. Donc, le formulaire que j'ai utilisé est celui qui correspond le mieux à mon objectif ici. À d'autres fins, d'autres dispositions des conditions seront les plus appropriées. Je ne pense pas que vous puissiez raisonnablement prétendre qu'il existe un formulaire approprié pour toutes les demandes.
"_un photon a vraiment une masse nulle_". Puis expliquez $ E = mc ^ 2 $. S'il existe une masse ($ m $) de 0, alors il n'y a pas d'énergie ($ E = 0c ^ 2 $ -> $ E = 0 $).
@Cole voir le dernier paragraphe de ma réponse.
#3
+10
Johannes
2011-01-22 04:59:22 UTC
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Vous demandez une explication pratique qui peut être comprise par les élèves intéressés des collèges et lycées. Je pense que cela se rapproche: Qu'est-ce qui ne va pas avec $ E = mc ^ 2 $ ?

La masse est la norme ( = longueur) du vecteur énergie-impulsion, et donc invariante et conservée. La norme carrée du vecteur énergie-momentum pour un objet avec énergie $ E $ et momentum $ p $ est $ E ^ 2-p ^ 2 $ . (voir note ci-dessous) La racine carrée de cette expression est mass ( $ m $ ). Un photon a $ E = p $ , et donc zéro masse. Une particule massive au repos a $ p = 0 $ et donc $ E = m $ , le plus célèbre d'Einstein équation (voir note en bas de page).

Oubliez la «masse relativiste». C'est un terme déroutant qui n'ajoute aucune compréhension. Chaque fois que vous voyez le terme «masse relativiste», remplacez-le par le terme «énergie», car c'est ce qu'il est vraiment. Un photon a de l'énergie (proportionnellement à sa fréquence) mais pas de masse.

Pensez-vous vraiment qu'il est remarquable qu'il puisse y avoir de l'énergie sans masse?

Note: Dans l'encart ci-dessus facteurs $ c $ lorsque ne fonctionne pas en unités naturelles (c'est-à-dire remplacer $ m $ span > avec $ mc ^ 2 $ et $ p $ avec $ pc $ )

#4
+4
voix
2011-01-22 04:48:43 UTC
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Un autre point de vue. Plus la masse au repos de la particule est petite, plus il est facile d’accélérer à la même vitesse . L’électron léger est plus facile à accélérer à la vitesse de 0,9999c $ que le noyau lourd. Le photon avec une masse de repos $ < 10 ^ {- 18} eV $ peut être considéré comme la particule la plus légère.

Quelle est la particularité de 10 $ ^ {- 18} eV $?
Regardez [l'article] (http://iopscience.iop.org/0741-3335/49/12B/S40/) et [le lien principal] (http://pdg8.lbl.gov/rpp2013v2/pdgLive/DataBlock .action? node = S000M)
#5
+2
Zeki
2011-01-22 11:39:44 UTC
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Je pense que vous êtes confus. Les photons n'ont pas de masse, ils ont de l'élan.

Momentum est la masse multipliée par la vitesse
@LightnessRacesinOrbit Uniquement pour les particules dont la masse se déplace à des vitesses non relativistes.
#6
+1
Lucas
2011-07-12 14:17:59 UTC
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En réponse à la discussion, "Oui, du point de vue d'un profane ..." Il est important de noter que le surnaturel a reçu une définition, c'est-à-dire non physique, puis il a été dit que cela ne doit pas être naturel - naturel peut-être signifier L'un des axiomes de la vision était que «seul ce qui est physique peut être trouvé» et «ce qui existe est physique». Bien que l'auteur le fasse passer pour une conclusion, c'est un axiome, donc il y a un raisonnement circulaire.Au lieu de `` par définition '', il faut dire: `` Par définition et en supposant que l'existence de quelque chose signifie qu'elle est physique, je concluent que le surnaturel n'existe pas. '

Il est également important de noter que toute définition donnée peut créer des axiomes, et que tout axiome donné peut créer des termes non définis (comme dans une approche axiomatique de la géométrie). quelle est la définition de «trouvé» par l'auteur? Est-ce qu'elle est trouvée par la physique expérimentale, ou est-ce qu'elle est trouvée par la physique théorique?

À propos de l'énergie, tout ce que j'ai à dire, c'est qu'il est généralement admis que les particules auraient besoin d'énergie pour être créées , à savoir un photon. L'auteur soutient que le photon est la matière elle-même. Les axiomes incluent: «Tout ce que nous pouvons considérer comme une particule est de la matière». En fait, c'est soit un axiome qui conduit (éventuellement avec d'autres axiomes) à la conclusion que tout est physique, soit une conclusion qui est une conséquence de l'axiome que tout est physique. L'auteur ne prouve pas ces idées de manière indépendante. Encore une fois, raisonnement circulaire.

#7
  0
Virgo
2016-07-25 10:53:44 UTC
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L'équation de moment d'énergie pour une particule de masse $ m $, d'énergie $ E $ et d'impulsion $ p $ est: $$ E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m ^ 2c ^ 4 $$ donc si $ m = 0 $ alors $ E = pc $.Pour une particule de masse $ m $ se déplaçant avec une vitesse $ v $ nous avons les relations standard $ E = \ gamma mc ^ 2 $ et $ p = \ gamma mv $. Les équations ci-dessus impliquent $ v = $.Cependant, comme cela implique $ \ gamma = \ infty $ ce qui implique $ = \ infty $ à moins que $ = 0 $.Comme $ = 0 $ pour un photon, cela implique que les équations ci-dessus sont cohérentes avec $ E \ not = \ infty $.

#8
-1
Argus
2012-05-15 04:40:33 UTC
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Comme je suis un profane, c'est ainsi que je me justifie, car il s'agit d'un Beowulf opiniâtre, veuillez le considérer comme mon "opinion" et non comme un fait. À mon avis, deux objets de masse dirigés l'un vers l'autre créeront une explosion. En tenant compte de cela, je prends deux lampes de poche et les pointe l'une vers l'autre: oh non, est-ce un accélérateur de particules bon marché? Hélas, les lampes de poche sont allumées, et bien, rien ne se passe vraiment. Ils ne se heurtent pas et ne créent pas une sorte de pluie de particules. En termes simples, ils passent simplement à travers l'autre faisceau de lampe de poche; comme avec deux pointeurs laser. Ils traversent et ne se heurtent pas physiquement.

Les faisceaux de peuvent entrer en collision, c'est juste faible. Ce n'est pas différent alors de tirer un neutrino à travers la Terre.
@RonMaimon: D'une manière mathématiquement rigoureuse, je suis tout à fait d'accord, mais dans la portée de cette question, il demande une idée plus générale de la manière dont un profane peut valider une idéologie aussi complexe.
Le o / p a donné un exemple ridicule, mais si vous effectuez son test rigoureusement, dans une panne de courant, sans aucune autre source lumineuse présente, et utilisez une lumière cohérente provenant d'une source laser, les deux faisceaux de lumière pourraient être amenés à interférer avec chacunautre;mais cela démontrerait des diagrammes d'interférence compatibles avec la lumière étant une onde d'énergie, se propageant comme une onde, c'est-à-dire présentant un renforcement et une annulation lorsque les deux faisceaux sont en phase.Il n'y a pas de particules présentes, il est donc absurde de s'attendre à ce que des collisions de particules se produisent, comme dans un supercollisionneur.
#9
-1
GammaRay
2014-02-10 16:36:53 UTC
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Puisque cette question porte sur la façon dont un photon peut voyager à la vitesse de la lumière et pourtant ne pas avoir de masse, je répondrai en disant que les photons n'ayant pas de masse est précisément pourquoi ils peuvent voyager si vite, et sans masse, cela devient intangible pour tout pour le ralentir.

Le compactage dû à la contraction de la longueur n'est pas un concept valable pour une particule ponctuelle comme un photon, et dans tous les cas, il n'est pas lié à l'augmentation de la masse relativiste.
la déclaration de compactage était pour les objets avec la masse, pas le photon, la contraction de la longueur peut ne pas être liée à l'augmentation de la masse mais elle est liée à sa compression qui était mon point.
Il peut également exister des particules ponctuelles massives. L'introduction de la contraction de la longueur est vraiment hors de propos ici.
Ok, les gros corps avec une composition atomique peuvent être expliqués de cette façon mais vous avez raison. ce processus physique ne peut pas s'appliquer aux particules ponctuelles de masse, il ne peut être que analogue à quelque chose de plus interne. (C'était peut-être un exemple trompeur.)
En fait, je confondais masse et densité relative.
À mon humble avis, cette réponse n'aurait pas dû être votée à la baisse.L'affirmation selon laquelle _un photon peut voyager en c parce qu'il n'a pas de masse_ est exactement vraie.Est-ce que quelqu'un croit vraiment qu'un photon est une particule?Ce n'est évidemment pas le cas: selon Einstein, c'est une onde, une vibration dans le tissu de l'espace-temps.Une particule est définie comme un objet ayant une masse, donc une inertie.L'inertie est ce qui empêche une particule d'atteindre ne serait-ce qu'une petite fraction de la vitesse de la lumière.Une onde, n'étant qu'une vibration induite, ne peut pas avoir d'inertie.L'énergie, étant une onde, donc sans masse, n'a ni inertie, ni élan, elle se propage donc en c.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 2.0 sous laquelle il est distribué.
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