Γιατί η υπόλοιπη μάζα του φωτονίου είναι μηδέν στον κβαντικό μηχανικό;
1. Ειδική σχετικότητα:
* Σχέση ενέργειας-στιγμής: Η ειδική σχετικότητα του Αϊνστάιν καθιέρωσε τη διάσημη εξίσωση E2 =(MC²) ² + (PC) ², όπου το E είναι ενέργεια, M είναι μάζα, C είναι η ταχύτητα του φωτός και το P είναι ορμή.
* Τα φωτόνια ταξιδεύουν πάντα με την ταχύτητα του φωτός: Τα φωτόνια είναι σωματίδια χωρίς μάζα, πράγμα που σημαίνει ότι ταξιδεύουν πάντα με την ταχύτητα του φωτός. Αυτή είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα των φωτονίων, όχι κάτι που προέρχεται από την κβαντική μηχανική.
* Μάζα μηδενικής ανάπαυσης: Εάν ένα φωτόνιο είχε μάζα ανάπαυσης (M ≠ 0), η ενέργεια της θα ήταν άπειρη επειδή η ταχύτητά του είναι πάντα c. Δεδομένου ότι παρατηρούμε φωτόνια με πεπερασμένη ενέργεια, πρέπει να έχουν μηδενική μάζα ανάπαυσης.
2. Θεωρία κβαντικού πεδίου:
* Quantum Fields: Στη θεωρία του κβαντικού πεδίου, τα φωτόνια περιγράφονται ως διεγέρσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Αυτό το πεδίο κβαντοποιήθηκε, πράγμα που σημαίνει ότι η ενέργεια του μπορεί να έρθει μόνο σε διακριτά πακέτα που ονομάζονται φωτόνια.
* Massless Excitations: Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, όπως περιγράφεται στη θεωρία του κβαντικού πεδίου, είναι ένα πεδίο χωρίς μάζα. Ως εκ τούτου, οι διεγέρσεις του (φωτόνια) είναι επίσης χωρίς μάζα.
Συνοπτικά:
Η μηδενική μάζα ανάπαυσης των φωτονίων δεν είναι συνέπεια μόνο της κβαντικής μηχανικής, αλλά μια θεμελιώδης ιδιοκτησία που προκύπτει από το συνδυασμό της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας και του κβαντικού πεδίου. Είναι αποτέλεσμα της μοναδικής φύσης τους ως σωματίδια χωρίς μάζα που ταξιδεύουν πάντα με την ταχύτητα του φωτός και είναι διεγέρσεις ενός πεδίου χωρίς μαζική.
Σημαντική σημείωση: Ενώ η υπόλοιπη μάζα ενός φωτονίου είναι μηδενική, εξακολουθεί να έχει ενέργεια και ορμή, τα οποία σχετίζονται με τη συχνότητα και το μήκος κύματος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα φωτόνια δεν είναι σταθερά σωματίδια. Μετακινούν πάντα με την ταχύτητα του φωτός.
