Czy foton posiada masę? Pytanie jest jednym z najprostszych pytań w fizyce i odpowiedź brzmi zawsze tak samo- oczywiście, że tak.
Czy foton posiada masę? Pytanie jest jednym z najprostszych pytań w fizyce i odpowiedź brzmi zawsze tak samo- oczywiście, że tak. Zamiast jednak przekonywać kogokolwiek jakimiś argumentami, jako że w fizyce współczesnej istnieje dogmacik że fotony masy nie posiadają, oddajmy głos doświadczeniu.
Bierzemy jakieś ciało, które będzie nam emitowało za chwilę fotony np. latarkę o masie 1kg i umieszczamy tę latarkę tuż przed naszym nosem. Mamy więc ciało o masie kilograma znajdujące się w spoczynku względem naszego nosa w odległości powiedzmy 1 metra.Cóż o tym ciele można powiedzieć- jest długie, okrągłe, nie świeci(latarka jest wyłączona), ale najważniejszy szczegół to środek masy tego ciała – otóż środek masy pokrywa się idealnie z położeniem tej latarki.
Skoro już mamy określony środek masy to możemy włączyć latarkę. Po włączeniu latarka powinna zaświecić, (zgodnie z zasadą nieokreśloności istnieje prawdopodobieństwo iż nie będzie świecić) oznacza to najczęściej emisję fotonów o różnych energiach, w tym część fotonów w zakresie widzialnym. Jeżeli jednak świeci (emisja fotonów) to zgodnie z zasadą zachowania pędu latareczka z każdym emitowanym fotonem zyskuje energię i pęd skierowany przeciwnie do kierunku ruchu fotonów. Inaczej mówiąc jeśli fotony z latarki lecą na naszą prawą stronę to latarka zaczyna powolutku lecieć w lewo. Trzeba trochę poczekać bo rozpędzanie latarki w ten sposób trochę potrwa., więc czekamy tak długo aż latarka będzie poruszać się z prędkością rzędu metrów na sekundę i oddali się na odległość przynajmniej kilkuset metrów.
Przyjrzyjmy się teraz trochę dokładniej tej latarce przyjmując na chwilę założenie, że energia i fotony masy nie posiadają. Co z tego wyniknie; Otóż jeśli fotony lecące w prawa stronę nie posiadałyby masy to środek masy w tym momencie znajduje się dokładnie w latarce (bo to jedyna masa w okolicy) i porusza sie z jakąś prędkością. Oznacza to, że przyjmując założenie typu-energia nie posiada masy-jednocześnie likwidujemy pojęcie środka masy, dlatego że w tym układzie zamkniętym środek masy powinien być nieruchomy. Niewiele osób zdaje sobie sprawę z tego że środek masy jest bardzo ściśle związany z zasadą zachowania pędu i praktycznie występuje przy opisie każdego doświadczenia, nawet w opisie kwantowym.
Jeśli jednak przyjmuję założenie że fotony posiadają jakiś rodzaj masy wtedy środek masy przestaje latać jak mu się podoba , fizyka wraca na swoje miejsce, do kuchni. Najważniejszym szczegółem jaki tu chciałem pokazać jest to do czego zawsze doprowadzi założenie o braku masy fotonów. A jaka to masa? No cóż , w przyrodzie występują tylko dwa rodzaje masy: grawitacyjna i bezwładna, dokładniej mówiąc najczęściej występują mieszaninki tych dwóch mas. Foton akurat jest prostym przykładem masy bezwładnej, zawsze ściśle proporcjonalnej do energii fotonu.
To, że jest to ilość masy proporcjonalna do energii wcale nie znaczy, że ta ilość będzie wykrywalna. Z wykrywalnością masy bezwładnej jest podobnie jak ogólnie z każdą wykrywalnością –punkt widzenia zależy od punktu siedzenia, co wcale nie jest żartem. Prosty przykład to energia kinetyczna dowolnego ciała (która też jest tylko czystą masą bezwładną) Każde ciało znajdujące się na Ziemi leci sobie w przestrzeni razem z Ziemią z prędkością ok. tysiąca kilometrów na sekundę co oznacza ze każde ciałko, nawet najmniejszy atomek jednak posiada całkiem duża ilość energii kinetycznej (więc i masy bezwładnej). A jednak tej masy nie można wykryć w żadnym doświadczeniu przeprowadzonym na Ziemi. Tak przy okazji jest to jednocześnie jeden z dowodów potwierdzających (wiem, wiem, że to nieszczęście, czarna rozpacz, zaraza jakaś, no po prostu fizyka) zasadę względności ruchu- tłumacząc na ludzki język- gdyby można było określić ilość tej masy energii kinetycznej (masy bezwładnej) to pozwalałoby to na określenie także prędkości bezwzględnej Ziemi, co z miejsca obaliłoby zasadę względności.
Brak możliwości wykrycia masy energii kinetycznej ciała poruszającego się z jakąś prędkością w układzie własnym tego ciała( o tej samej prędkości) jest faktem doświadczalnym (nie znaleziono różnicy między masa grawitacyjną a bezwładną w doświadczeniach), więc nie za bardzo jest tu z czym dyskutować, jednak warto jeszcze przyjrzeć się innym układom odniesienia (o różnej prędkości ). Popatrzmy sobie na na cząstki rozpędzane w akceleratorach kołowych.Służą owe twory do rozpędzania cząstek typu elektrony, protony i jony do całkiem dużych prędkości, często podświetlnych.Z drugiej strony mógłbym powiedzieć, że służą głównie do robienia zdjęć. A że wyglądają poważnie, mają dużo kabelków, przycisków i migających światełek, to nic dziwnego w tym, że każdy fizyk robi sobie przy nich zdjęcia dla gazet i znajomych. Na takim zdjęciu każdy wygląda na rasowego naukowca, hmm , ale wróćmy do cząstek. Już w trakcie przyspieszania cząstek na te ciała działa siła powodująca ciągła zmianę kierunku ruchu na bok, tak aby latały po okręgu. Najważniejszym szczegółem jest to,że siła przyciągania (inaczej dośrodkowa) jest zależna od wartości ładunku cząstki przyspieszanej ale siła odśrodkowa jest z kolei zależna od masy cząstki. W trakcie przyspieszania takiej cząstki (zwiększania energii kinetycznej z każdym kolejnym okrążeniem), kiedy prędkość zwiększa się już praktycznie o niemierzalne wartości każda cząstka zaczyna zachowywać się dziwnie zataczając kółka o coraz to większej średnicy, jak gdyby albo siła przyciągania malała albo masa cząstki rosła. Na chwilę zatrzymam się przy tych szczegółach. Fizycy z zakonu dogmatyków zjednoczonych A.Einsteina zawsze patrzą i podziwiają tylko ten drugi szczegół czyli przyrost masy, natomiast uczniowie heretyków doskonałych powtarzają uparcie, że to doświadczenie można tłumaczyć zarówno poprzez przyrost masy jak i zmniejszenie ładunku cząstki lub obydwa sposoby naraz. Przypominam tutaj, że w tekście poprzednim wyraźnie wspomniałem o możliwości zmiany wartości ładunków cząstek w zależności od posiadanej energii kinetycznej.Jednak niezależnie od rodzaju zmian, jakie zachodzą w cząstce przyspieszanej najbardziej interesującym jest sam fakt, możliwość wykrycia zmian masy tej cząstki z układu odniesienia o innej prędkości.
Także podsumowując każdy foton jak też energia kinetyczna posiada masę, czy to się komuś podoba czy nie. Natomiast ilość tej masy (dokładnie masy bezwładnej), możliwej do wykrycia (zmierzenia) doświadczalnie jest zawsze ściśle związana z układem odniesienia. Jeśli ktoś chce się sprzeczać to będzie musiał zlikwidować środek masy. Fizycy często piszą ‘’masa relatywistyczna’’ ale ja tego pojęcia nie lubię, jako że jest używane zarówno do fotonów (prawidłowo) ale też do wszystkich cząstek o masie spoczynkowej poruszających się z podświetlnymi prędkościami – nieprawidłowo, bo tam występuje już mieszanina dwóch rodzajów mas (grawitacyjnej i bezwładnej).
A jeśli jakiś fizyk przypadkowo stwierdzi, że masa fotonów nie jest masą spoczynkową to niestety będzie miał rację. Pod masę spoczynkową praktycznie zawsze mogę podłożyć masę grawitacyjną, chociaż z pewnymi zastrzeżeniami, jako że przyjęło się mówić, że masa spoczynkowa jest niezmienna, co akurat nigdy nie zostało jednoznacznie potwierdzone doświadczalnie. Właściwie wykorzystując zasadę względności można powiedzieć, że masa spoczynkowa powinna nazywać się masą leniwą (jeśli nie dostanie energii kinetycznej to nie ruszy się z miejsca) a poza tym jest stała i niezmienna niezależnie od układu odniesienia jak też jest zmienna i zależna od układu odniesienia.