Ich habe eine Reihe hilfreicher Fragen und Antworten zu Photonen gelesen, in denen das Thema Masse / Masselos erwähnt wird. Verstehe ich richtig, dass die Idee von masselos (eine Ruhemasse von 0) nur eine Konvention sein kann, damit die Gleichungen funktionieren?
Aus Laiensicht ist es schwer zu verstehen, wie ein Lichtteilchen (Photon) masselos sein kann. Ein physisches Objekt (Alltagswelt groß oder Quantenklein) muss eine Masse haben. Wenn ich jedoch richtig verstehe, nimmt die Masse eines sich bewegenden Objekts / Partikels proportional zu seiner Geschwindigkeit / Geschwindigkeit zu ... so dass seine Masse bei Lichtgeschwindigkeit unendlich wäre. Ein Photon bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit, aber es hat offensichtlich keine unendliche Masse, oder? Kann jemand eine praktische Erklärung formulieren, die von Mittelschülern bis Oberschülern verstanden werden kann? Vielen Dank für die Hilfe.
Wow - Ihre Antworten auf meine ursprüngliche Frage unten klären einen Großteil meiner Verwirrung. Ich habe jetzt die entmutigende Aufgabe, diese Nuggets durchzugehen und eine gleichungslose (hoffentlich) Erklärung des masselosen Photons für Nicht-Physiker-Typen auszuarbeiten.
Ja, aus der Sicht eines Laien scheint es bemerkenswert, dass ein existierendes Stück Materie – das aus physikalischer Substanz bestehen muss – im Ruhezustand null Masse haben könnte (obwohl ein Photon niemals im Ruhezustand ist). Es wäre fast verständlich, wenn ein Stück Materie, das aus nichts besteht , keine Masse hätte, aber das scheint ein Oxymoron zu sein, und „nichts“ würde gleichbedeutend mit nicht existierend sein, oder?
Falls Sie es interessant finden: Ich arbeite an einem Schreibprojekt, das postuliert, dass wir ein Universum bewohnen, das nur aus Materie (physischem Zeug) besteht, und dass das NICHT-Physische (auch bekannt als Übernatürliches) nicht existiert (und nicht existieren kann). Wenn sich zum Beispiel herausstellt, dass ein angebliches übernatürliches Phänomen tatsächlich existiert, dann ist seine Existenz per Definition ein Beweis dafür, dass es weltlich/natürlich ist. Alles, was es braucht, um diese Prämisse zu widerlegen, ist ein zuverlässiger Beweis dafür, dass EIN übernatürliches Ereignis stattgefunden hat. Trotz tausender solcher Behauptungen ist das noch nie passiert.
Wer könnte meine Prämisse besser als Physiker bestätigen? Ich wünschte jedoch, die Fernsehphysiker würden die Begriffe erklären, mit denen sie um sich werfen, von denen einige ihre Laienzuschauer irreführen/verwirren. Ein typisches Beispiel: "Das Universum besteht aus Materie und Energie" (ohne den Begriff "Energie" als Eigenschaft der Materie richtig zu definieren).
Das Ergebnis ist, dass Laien den Eindruck hinterlassen, dass Energie daher etwas von Materie Getrenntes oder Unabhängiges (dh Nicht-Physisches) sein muss. Ihre Verwendung des Begriffs "reine Energie", ohne genau anzugeben, was das bedeutet, trägt zur Verwirrung bei. (Dank Ihrer Antworten in diesem Forum verstehe ich jetzt, dass sich „reine Energie“ auf Photonenteilchen bezieht.) „Hellseher“ und andere Scharlatane nutzen jedoch eine solche Verwirrung aus, indem sie Begriffe wie Energie (wie in „psychische Energie“) entführen, Frequenzen, Vibrationen usw., um ihren Behauptungen, dass eine übernatürliche Geisterwelt usw. existiert, eine scheinbare wissenschaftliche Legitimität zu verleihen. Wie Sie vielleicht erkennen, glaubt die Mehrheit der Menschen in den USA (laut Harris Poll 2009) und auf der ganzen Welt an die Existenz von nicht-physischen/übernatürlichen Dingen wie Geistern und Geistern.
Mein Ziel ist es, Laien die Informationen zu geben, die sie brauchen, um zu unterscheiden, was echt ist und was nicht.
Vielen Dank für die Hilfe ... Und BITTE fügen Sie weitere Kommentare hinzu, die Ihrer Meinung nach hilfreich / aufschlussreich sein könnten, um Laien besser zu informieren.
An der Masse verschiedener Teilchenarten ist absolut nichts Konventionelles. Für jedes Teilchen, das sich im Vakuum bewegt, können Sie die Gesamtenergie messen (einschließlich der latenten Energie) und dem Impuls . Es stellt sich experimentell heraus - und Einsteins spezielle Relativitätstheorie garantiert - dass die Kombination
Das ist in der Tat auch der Grund, warum man ein Photon nicht wirklich in Ruhe haben kann, . Wenn eine Geschwindigkeit von etwas ist in einem Bezugssystem wird es bleiben in jedem (nicht-singulären) Bezugssystem - das ist ein weiteres Postulat der speziellen Relativitätstheorie. Man kann also niemals die Geschwindigkeit des Photons zu Null machen, indem man zu einem anderen (nicht-singulären) Referenzrahmen wechselt.
Wenn Sie jedoch einige Werte für alle Größen sehen möchten, können Sie sich vorstellen, dass ein ruhendes Photon existieren könnte und seine Gesamtmasse null wäre. Bei Geschwindigkeit , die Masse wird erhöht auf
Verstehe ich richtig, dass die Idee von masselos (eine Ruhemasse von 0) nur eine Konvention sein kann, damit die Gleichungen funktionieren?
Nein, ein Photon hat wirklich keine Masse. Sie können es sich als ein Teilchen aus "reiner Energie" vorstellen, wenn es Ihnen hilft, es zu verstehen, aber der einzige Sinn, in dem dies gültig ist, ist, dass ein Photon Energie, aber keine Masse hat.
Wenn ich jedoch richtig verstehe, nimmt die Masse eines sich bewegenden Objekts / Teilchens proportional zu seiner Geschwindigkeit / Geschwindigkeit zu ...
Nein, tatsächlich ist die Masse eine relativistische Invariante. Jedes Objekt hat seine eigene spezifische Eigenmasse, die immer gleich ist, egal mit welcher Geschwindigkeit sich das Objekt bewegt. Was zunimmt, ist die Energie . Für massive Objekte werden sie durch die von Luboš zitierte Formel in Beziehung gesetzt:
(Beachten Sie, dass meine entspricht seinem ).
Hier ist eine kleine historische Motivation. In den frühen Tagen der Relativitätstheorie erkannten Physiker schnell, dass es mit zunehmender Geschwindigkeit eines Objekts immer schwieriger wird, seine Geschwindigkeit um einen bestimmten Betrag zu erhöhen. Dies ist eine Möglichkeit, den Grund auszudrücken, warum kein Objekt die Lichtgeschwindigkeit überschreiten kann. Nun, wir sagen, dass ein Objekt, das schwerer zu bewegen ist, mehr Trägheit hat, und die vorherrschende Konvention war, dass Trägheit mit der Masse in Beziehung stehen sollte, also war es sinnvoll, dass ein Objekt, das sich schneller bewegt, in gewissem Sinne mehr Masse haben sollte. Physiker haben für diese Größe den Begriff „relativistische Masse“ geprägt.
Sie erkannten jedoch auch, dass etwas Besonderes an der relativistischen Masse eines ruhenden Objekts war, da dies (zum Beispiel) die minimal mögliche relativistische Masse war, die das Objekt jemals haben konnte; Es ist die Menge an Masse, die dem Objekt innewohnt. Passenderweise bezeichneten sie dies als "Ruhemasse".
In späteren Jahren, teilweise angeregt durch die Entdeckung der Allgemeinen Relativitätstheorie, erkannten die Physiker, dass es sinnvoller ist zu sagen, dass Trägheit mit Energie zusammenhängt , nicht nur mit Masse. Schließlich sagt Ihnen GR, dass es neben der Masse noch andere Dinge gibt, die zur Schwerkraft beitragen, also macht es Sinn, dass es neben der Masse noch andere Dinge gibt, die zur Trägheit beitragen. Also geriet der Begriff „relativistische Masse“ in Ungnade (naja, irgendwie; es gibt immer noch eine ganze Reihe von Leuten, die ihn verwenden) und Physiker fingen stattdessen an, über Energie zu sprechen. Die beiden werden einfach durch die Gleichung in Beziehung gesetzt
Das ist die berühmte Gleichung, die die Leute mit Einstein assoziieren, obwohl sie oft das tiefgestellte "rel" vergessen und das zu viel Verwirrung führt ;-)
Jetzt, da „Masse“ nicht verwendet wird, um die Gesamtheit zu beschreiben, die mit der Trägheit eines sich bewegenden Objekts zusammenhängt, können wir dieses Wort einfach verwenden, um die „intrinsische Masse“ oder „Ruhemasse“ ohne irgendwelche zu beschreiben Verwirrtheit. (Wiederum, irgendwie; es gibt immer noch eine ganze Reihe von Leuten, die von „Ruhemesse“ sprechen, und es ist möglich, verwirrt zu werden, wenn verschiedene Gruppen mit unterschiedlichen Konventionen miteinander sprechen.) Heutzutage bezieht sich „Masse“ also auf das, was war früher bekannt als "Ruhemasse". Wie gesagt, jedes Objekt hat seine eigene besondere Masse, und für ein Photon ist das zufällig Null. Wie Luboš sagte, können sich nur Objekte mit Nullmasse mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, sonst wäre die Energie undefiniert.
Um das Photon zu verstehen, erinnern Sie sich an Einsteins vollständige Gleichung
was besagt, dass Energie sowohl aus Masse als auch aus Impuls stammt. Selbst wenn also ein Teilchen keine Masse hat, kann es seine Energie dennoch aus Impuls beziehen, und Photonen haben tatsächlich sowohl Energie als auch Impuls.
Sie fragen nach einer praktischen Erklärung, die von interessierten Schülern der Mittel- und Oberstufe verstanden werden kann. Ich denke, das kommt dem nahe: What's Wrong With ?
Masse ist die Norm (=Länge) des Energie-Impuls-Vektors und daher invariant und erhalten. Die quadratische Norm des Energie-Impuls-Vektors für ein Objekt mit Energie und Schwung ist . (siehe Hinweis unten) Die Quadratwurzel dieses Ausdrucks ist Masse ( ). Ein Photon hat , also Nullmasse. Ein ruhendes massives Teilchen hat und daher , Einsteins berühmteste Gleichung (siehe Fußnote).
Vergessen Sie die „relativistische Masse“. Dies ist ein verwirrender Begriff, der kein Verständnis hinzufügt. Wann immer Sie den Begriff „relativistische Masse“ sehen, ersetzen Sie ihn durch den Begriff „Energie“, denn das ist es wirklich. Ein Photon hat Energie (proportional zu seiner Frequenz), aber keine Masse.
Finden Sie es wirklich bemerkenswert, dass es Energie ohne Masse geben kann?
Hinweis: In den obigen Faktoren einfügen wenn nicht in natürlichen Einheiten gearbeitet wird (d. h. ersetzen mit , und mit )
Eine andere Sicht. Je kleiner die Ruhemasse des Teilchens ist, desto leichter lässt es sich auf die gleiche Geschwindigkeit beschleunigen . Lichtelektronen lassen sich leicht auf die Geschwindigkeit beschleunigen als schwerer Kern. Photon mit Ruhemasse kann als das leichteste Teilchen betrachtet werden.
Ich glaube, Sie sind verwirrt. Photonen haben keine Masse, sie haben Impuls.
Als Antwort auf die Diskussion: „Ja, aus der Sicht eines Laien …“ Es ist wichtig zu beachten, dass dem Übernatürlichen eine Definition gegeben wurde, dh nicht-physisch, dann wurde gesagt, dass es nicht natürlich sein darf – natürlich bedeutet möglicherweise physisch. Eines der Axiome dieser Ansicht lautete: „Nur was physisch ist, kann gefunden werden“ und „was existiert, ist physisch“. Obwohl der Autor es wie eine Schlussfolgerung klingen lässt, ist es ein Axiom, daher gibt es einen Zirkelschluss. Anstelle von „per Definition“ sollte gesagt werden: „Per Definition und aufgrund der Annahme, dass die Existenz von etwas bedeutet, dass es physisch ist, folgere ich, dass das Übernatürliche nicht existiert.“
Es ist auch wichtig zu beachten, dass alle gegebenen Definitionen Axiome erstellen können und dass alle gegebenen Axiome undefinierte Begriffe erstellen können (wie in einem axiomatischen Ansatz zur Geometrie). Und was ist die Definition des Autors von "gefunden"? Wird es von der Experimentalphysik gefunden, oder wird es von der theoretischen Physik gefunden?
Zur Energie muss ich nur sagen, dass es allgemein anerkannt ist, dass Teilchen Energie benötigen, um erzeugt zu werden, nämlich ein Photon. Der Autor argumentiert, dass das Photon selbst Materie ist. Die Axiome beinhalten: 'Alles, was wir uns als Teilchen vorstellen können, ist Materie.' Tatsächlich ist dies entweder ein Axiom, das (möglicherweise zusammen mit anderen Axiomen) zu dem Schluss führt, dass alles physikalisch ist, oder ein Schluss, der eine Folge des Axioms ist, dass alles physikalisch ist. Der Autor beweist diese Ideen nicht unabhängig. Wieder Zirkelschluss.
Die Energie-Impuls-Gleichung für ein Massenteilchen , Energie und Schwung ist:
Da ich ein Laie bin, rechtfertige ich es mir gegenüber so, da dies ein eigensinniger Beowulf ist, betrachten Sie es bitte als meine "Meinung" und nicht als Tatsache. Meiner Ansicht nach erzeugen zwei Objekte mit Masse, die aufeinander gerichtet sind, eine Explosion. In Anbetracht dessen nehme ich zwei Taschenlampen und richte sie aufeinander: oh nein, ist das ein billiger Teilchenbeschleuniger? Leider sind die Taschenlampen eingeschaltet, und naja, eigentlich passiert nichts. Sie kollidieren nicht und erzeugen eine Art Partikelschauer. Laienhaft ausgedrückt passieren sie einfach den anderen Taschenlampenstrahl; wie bei zwei Laserpointern. Sie passieren, kollidieren nicht im physikalischen Sinne.
Da es bei dieser Frage darum geht, wie sich ein Photon mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann und dennoch keine Masse hat, werde ich antworten, indem ich sage, dass Photonen, die keine Masse haben, genau der Grund dafür sind, dass sie sich so schnell fortbewegen können, und ohne Masse wird es für alles immateriell, es zu schaffen geh langsamer.
Hakim
Lubos Motl
Hakim
Lubos Motl