ما هي كتلة الفوتون؟
يقسم هذا السؤال إلى قسمين:
هل للفوتون كتلة؟ في النهاية للفوتون طاقة والطاقة تكافئ الكتلة.
على النحو التقليدي يقال بأن الفوتونات عديمة الكتلة، هذا التعبير يستخدمه علماء الفيزياء لوصف الخاصية الجسيمية في الفوتون بلغة النسبية الخاصة.
يمكن شرح ذلك بعدة طرق، سنختار الطريقة الآتية:
نأخذ نظام معزول (نسميه الجسيم) ونسرعه لسرعة معينة v، عرَّف نيوتن الزخم p لهذا الجسيم، الزخم p يتصرف بطريقة بسيطة عندما نزيد سرعته أو عندما ندخله في عملية تصادم وبهذه الخواص نعرف أن الزخم يتناسب مع السرعة وثابت التناسب يدعى بكتلة الجسم m فيصبح القانون p = mv .
في النسبية الخاصة تبين أنه يمكننا أيضًا أن نَصِفَ زخم الجسم p بعدة طرق ملحقة بقانون نيوتن. بالرغم من أن الزخم p والسرعة v بنفس اتجاه القانون السابق ولكن اتضح أنهما ليسا متناسبين وأفضل ما يمكننا فعله هو ربطهما في القانون بالكتلة النسبية mrel فيصبح القانون p = mrel v .
عندما يكون الجسيم في وضعية السكون الكتلة النسبية له تكون في أقل قيمة (الكتلة السكونية) mrest. الكتلة السكونية هي نفسها في الأنواع المتشابهة من الجسيمات. مثلًا جميع الفوتونات لديها كتلة سكونية متساوية وأيضًا جميع الإلكترونات والنيوترونات ويمكنك البحث عنها ومعرفتها. عند زيادة السرعة الكتلة النسبية تزداد بدون حدود.
واتضح أيضًا في النسبية الخاصة يمكننا تعريف مصطلح الطاقة E، الطاقة لديها نفس الخواص في قوانين نيوتن الميكانيكية، عند تعجيل جسيم ما زخمه p وكتلته النسبية mrel فتكون الطاقة:
E = mrel c2 أو E2 = p2c2 + m2rest c4
هناك نقطتين مهمتين في المعادلة الاخيرة:
1-إذا كان الجسيم في حالة سكون فإنّ الزخم p=0 فالطاقة E=mrestc2.
2-إذا وضعنا الكتلة السكونية صفرًا (بغض النظر عن منطقية هذا الخطوة) فالطاقة E=pc.
في النظرية الكهرومغناطيسية الضوء يمتلك طاقة E وزخم p وهما مرتبطتان E=pc. ميكانيكا الكم تقدم فكرة إن الضوء هو مجموعة من الجزيئات (الفوتونات). وهذه الفوتونات لا يمكن وضعها في حالة سكون ولهذا لا توجد لها كتلة سكونية mrest. يمكننا وضع هذه الفكرة في المعادلة السابقة بدون كتلة سكونية ولهذا ستصبح المعادلة E=pc. ولهذا المعادلة السابقة تنطبق على جزيئات المادة وجزيئات الضوء.
وهذا ما يجعلها مهمة جدًا فهي معادلة عامة.
هل يوجد دليل تجريبي على أن للفوتون كتلة سكونية صفرية؟
النظريات البديلة حول الفوتون تتضمن مصطلح كتلة الفوتون وهذا ما يطلق عليه بـ(الفوتون الهائل)، إذا كانت كتلة الفوتون السكونية لا تساوي صفرًا فستكون النظرية الكهروداينمك الكمية في خطر وستفتقد للمقياس الثابت الطبيعي، وحفظ الشحنة لن يكون مضمونًا بشكل كامل كما لو كانت الكتلة السكونية صفرًا، ولكن بغض النظر عن توقعات أي نظرية من الضروري أن نعمل على تجربتها للتأكد من التوقع.
من المستحيل تقريبًا إجراء تجربة تقوم بقياس كتلة الفوتون السكونية صفرًا، أفضل ما يمكننا فعلهُ هو أن نضع الحدود، الكتلة السكونية غير الصفرية ستصنع عامل تثبيط في قانون كولوم التربيع العكسي وهذا يعني أن الكهربائية الساكنة ستكون أضعف في المسافات البعيدة جدًا، بالإضافة إلى ذلك ستتأثر الحقول المغناطيسية الساكنة.
بإمكاننا تخمين الحد الأعلى لكتلة الفوتون بقياس الحقول المغناطيسية للكواكب بواسطة الأقمار الصناعية، مركبة ناسا الفضائية(The charge composition) لاستكشاف مكونات الشحنات استُخدِمت لاستنتاج الحد الأعلى لـ 6 * 10-16 إلكترون فولت، ثم قام روديرك لَيكس- Roderic Lakes بتحسين القياس في تجربة مختبرية عام 1998 والتي بحثت عن قوىً شاذة في تجربة كافنديش -Cavendish الحد الجديد أصبح 7 * 10-17 إلكترون فولت، دراسات الحقول المغناطيسية للمجرات تعطي حد أفضل حيث يكون أقل من 3 * 10-27 إلكترون فولت ولكن هنالك شكوك حول صحة هذه الطريقة.
المصدر
يقسم هذا السؤال إلى قسمين:
هل للفوتون كتلة؟ في النهاية للفوتون طاقة والطاقة تكافئ الكتلة.
على النحو التقليدي يقال بأن الفوتونات عديمة الكتلة، هذا التعبير يستخدمه علماء الفيزياء لوصف الخاصية الجسيمية في الفوتون بلغة النسبية الخاصة.
يمكن شرح ذلك بعدة طرق، سنختار الطريقة الآتية:
نأخذ نظام معزول (نسميه الجسيم) ونسرعه لسرعة معينة v، عرَّف نيوتن الزخم p لهذا الجسيم، الزخم p يتصرف بطريقة بسيطة عندما نزيد سرعته أو عندما ندخله في عملية تصادم وبهذه الخواص نعرف أن الزخم يتناسب مع السرعة وثابت التناسب يدعى بكتلة الجسم m فيصبح القانون p = mv .
في النسبية الخاصة تبين أنه يمكننا أيضًا أن نَصِفَ زخم الجسم p بعدة طرق ملحقة بقانون نيوتن. بالرغم من أن الزخم p والسرعة v بنفس اتجاه القانون السابق ولكن اتضح أنهما ليسا متناسبين وأفضل ما يمكننا فعله هو ربطهما في القانون بالكتلة النسبية mrel فيصبح القانون p = mrel v .
عندما يكون الجسيم في وضعية السكون الكتلة النسبية له تكون في أقل قيمة (الكتلة السكونية) mrest. الكتلة السكونية هي نفسها في الأنواع المتشابهة من الجسيمات. مثلًا جميع الفوتونات لديها كتلة سكونية متساوية وأيضًا جميع الإلكترونات والنيوترونات ويمكنك البحث عنها ومعرفتها. عند زيادة السرعة الكتلة النسبية تزداد بدون حدود.
واتضح أيضًا في النسبية الخاصة يمكننا تعريف مصطلح الطاقة E، الطاقة لديها نفس الخواص في قوانين نيوتن الميكانيكية، عند تعجيل جسيم ما زخمه p وكتلته النسبية mrel فتكون الطاقة:
E = mrel c2 أو E2 = p2c2 + m2rest c4
هناك نقطتين مهمتين في المعادلة الاخيرة:
1-إذا كان الجسيم في حالة سكون فإنّ الزخم p=0 فالطاقة E=mrestc2.
2-إذا وضعنا الكتلة السكونية صفرًا (بغض النظر عن منطقية هذا الخطوة) فالطاقة E=pc.
في النظرية الكهرومغناطيسية الضوء يمتلك طاقة E وزخم p وهما مرتبطتان E=pc. ميكانيكا الكم تقدم فكرة إن الضوء هو مجموعة من الجزيئات (الفوتونات). وهذه الفوتونات لا يمكن وضعها في حالة سكون ولهذا لا توجد لها كتلة سكونية mrest. يمكننا وضع هذه الفكرة في المعادلة السابقة بدون كتلة سكونية ولهذا ستصبح المعادلة E=pc. ولهذا المعادلة السابقة تنطبق على جزيئات المادة وجزيئات الضوء.
وهذا ما يجعلها مهمة جدًا فهي معادلة عامة.
هل يوجد دليل تجريبي على أن للفوتون كتلة سكونية صفرية؟
النظريات البديلة حول الفوتون تتضمن مصطلح كتلة الفوتون وهذا ما يطلق عليه بـ(الفوتون الهائل)، إذا كانت كتلة الفوتون السكونية لا تساوي صفرًا فستكون النظرية الكهروداينمك الكمية في خطر وستفتقد للمقياس الثابت الطبيعي، وحفظ الشحنة لن يكون مضمونًا بشكل كامل كما لو كانت الكتلة السكونية صفرًا، ولكن بغض النظر عن توقعات أي نظرية من الضروري أن نعمل على تجربتها للتأكد من التوقع.
من المستحيل تقريبًا إجراء تجربة تقوم بقياس كتلة الفوتون السكونية صفرًا، أفضل ما يمكننا فعلهُ هو أن نضع الحدود، الكتلة السكونية غير الصفرية ستصنع عامل تثبيط في قانون كولوم التربيع العكسي وهذا يعني أن الكهربائية الساكنة ستكون أضعف في المسافات البعيدة جدًا، بالإضافة إلى ذلك ستتأثر الحقول المغناطيسية الساكنة.
بإمكاننا تخمين الحد الأعلى لكتلة الفوتون بقياس الحقول المغناطيسية للكواكب بواسطة الأقمار الصناعية، مركبة ناسا الفضائية(The charge composition) لاستكشاف مكونات الشحنات استُخدِمت لاستنتاج الحد الأعلى لـ 6 * 10-16 إلكترون فولت، ثم قام روديرك لَيكس- Roderic Lakes بتحسين القياس في تجربة مختبرية عام 1998 والتي بحثت عن قوىً شاذة في تجربة كافنديش -Cavendish الحد الجديد أصبح 7 * 10-17 إلكترون فولت، دراسات الحقول المغناطيسية للمجرات تعطي حد أفضل حيث يكون أقل من 3 * 10-27 إلكترون فولت ولكن هنالك شكوك حول صحة هذه الطريقة.
المصدر