¿Qué significa que una partícula como un fotón tenga una masa en reposo de cero? ¿Significa que un fotón, o en realidad un gluón, no tiene masa? Si no tienen masa, ¿cómo existen?

La masa es una cualidad de fermiones que los hace resistir los cambios en su movimiento, ya sea la velocidad o la dirección, no importa. Esta resistencia se llama inercia. Los fermiones son protones, neutrones y electrones, y los quarks que se agrupan para formar los neutrones y protones.

Los fotones son diferentes. No tienen inercia. Son portadores de energía llamados bosones. La energía que transportan está relacionada con la frecuencia de los paquetes de campos eléctricos y magnéticos que oscilan en intensidad a medida que se propagan juntos a través del espacio. Esta propagación a través del espacio ocurre a una velocidad natural descrita por las ecuaciones de onda de Schrodinger.

Se dice que los fotones tienen impulso, pero el impulso se expresa en función de la frecuencia multiplicada por la constante de Planck, no la masa por la velocidad, porque los fotones no tienen masa. Carecen de las cualidades inerciales de las partículas masivas.

Los fotones no tienen propiedades inerciales que permitan cambios en su velocidad o dirección. Siguen la geodésica del espacio-tiempo y permanecen en sus carriles. No interactúan entre sí, aunque pueden acumularse para volverse más intensos, lo que no hacen los fermiones como los electrones (según el principio de exclusión de Pauli que se aplica a todos los fermiones).

Los fotones reaccionan al ser absorbidos o emitidos durante las interacciones con fermiones resonantes de frecuencia como los electrones. Estas interacciones pueden malinterpretarse como rebote o desviación, pero el mecanismo es la absorción y la emisión.

Aunque la energía y la masa son equivalentes en las ecuaciones de Einstein, tienen diferencias cualitativas importantes cuando se aplican a ciertos bosones (pero no a todos), versos fermiones y se analizan matemáticamente.

Espero que esta explicación ayude.

Los físicos de buena fe Phd están invitados a corregir cualquier error, si es necesario.

Ver comentario de Ronald Fisch , que explica que muchos bosones tienen masa.

Una diferencia con los fermiones es que los bosones siguen las estadísticas de Bose-Einstein, mientras que los fermiones siguen las estadísticas de Fermi-Dirac. Una consecuencia de esta diferencia es que los bosones pueden “amontonarse” mientras que los fermiones no.

Matemáticamente esto sucede porque el impulso viene dado por el valor, en un estado físico, del operador que genera las traducciones de espacio y tiempo.

Un estado físico que contiene un fotón es un estado que contiene una partícula que se traduce en el espacio y el tiempo. No es un estado invariante bajo las traducciones de espacio y tiempo. De hecho, un fotón siempre se mueve a lo largo de un camino similar a la luz: viaja a lo largo de un cono de luz.

Entonces, un estado que contiene un fotón debe tener un momento distinto de cero.

Si se presiona, diría que la noción de impulso es más básica que la noción de masa. Por lo tanto, en su lugar, cambiaría toda la pregunta.

Si un fotón no tuviera impulso, ¿qué podría significar decir que tenía masa cero?

Encuentro que los términos “masa en reposo” y “masa relativista” son superfluos en las teorías actuales, aunque ambos son bastante universalmente utilizados por los físicos. Su uso se produce históricamente porque la gente estaba, al principio, muy sorprendida por algunas de las implicaciones de la relatividad especial que tiene que ver con las relaciones entre masa, energía e impulso, ya que estas cantidades se habían entendido en la mecánica newtoniana. Por lo tanto, el uso de esos términos no desaparecerá pronto, lo cual está perfectamente bien. Pero la cantidad básica que es de verdadero interés solo requiere una palabra para denotarla y esa palabra debería ser “masiva”, creo.

Tenga en cuenta que el término “masa en reposo” de hecho no tiene ningún significado para un fotón, ya que no existe un marco de referencia en el que un fotón esté en reposo. Para alcanzar ese marco, se requeriría una transformación singular de Lorentz.

El movimiento, que es solo otra palabra para la traducción de estados en el espacio y el tiempo, puede existir perfectamente sin masa, definiéndose la masa de la manera más consistente que conozco. Entonces, dado que el momento genera movimiento, el momento se asocia más directamente con el movimiento que con la masa.

Los fotones parecen ser bastante reales y pueden moverse y producir efectos reales y medibles. Como pueden moverse, deben tener impulso. Pero no se sigue eso, porque tienen impulso, también deben tener masa.

Es interesante recordar que Isaac Newton se refirió al impulso como la “cantidad de movimiento”, aunque en su descripción fue explícito que el impulso era proporcional a lo que Newton llamó la “masa” de un objeto, así como a su velocidad. Sus leyes del movimiento se referían a la “cantidad de movimiento”, es decir, se ocupaban del impulso y de cómo cambiaba con el tiempo.

Sin ser terriblemente específico sobre lo que significa esto, uno podría escribir el generador de traducciones de espacio y tiempo como:

[matemáticas] P_ \ mu, \, \ mu = 0,1,2,3 [/ matemáticas].

El impulso tiene cuatro componentes, ya que el espacio y el tiempo parecen describirse por cuatro coordenadas. En la construcción más natural, estos operadores de momento tendrán valores reales en un estado cuántico de algún objeto o alguna partícula.

Momentum square es un operador Casimir cuadrático del grupo de isometría del espacio de Minkowski: que es el grupo de Lorentz más las traducciones de espacio y tiempo. Este grupo también se llama a menudo el grupo de Poincaré. Ese momento al cuadrado es un operador de Casimir, solo significa que es un operador que conmuta con todos los otros generadores del grupo, lo cual se verifica fácilmente si uno simplemente los escribe explícitamente y luego calcula usando el álgebra de Lie del grupo. No lo haré, pero no es nada difícil de hacer.

Esto significa, según el lema de Schur, que en una representación del grupo, el valor del momento al cuadrado será un número bien definido.

Ese número es real y puede ser positivo, puede ser negativo o puede ser cero. Se llama la masa al cuadrado para abreviar. La raíz cuadrada del número se llama masa.

Por lo tanto, en un irrep [math] \ vert i \ rangle [/ math] sería el caso de que:

[matemáticas]
\ begin {align}
P ^ 2 \ vert i \ rangle & = ((P_0) ^ 2 – (P_1) ^ 2 – (P_2) ^ 2 – (P_3) ^ 2) \ vert i \ rangle \\
& = m_i ^ 2 \ vert i \ rangle
\ end {align}
[/matemáticas],

para algún número real [matemáticas] m_i ^ 2 [/ matemáticas].

Cuando se construyen teorías de campo cuántico que están destinadas a describir el mundo, la gente generalmente quiere tratar de hacerlas invariantes de Lorentz, ya que se cree ampliamente que esta es una simetría local básica del mundo.

Esto se hace construyendo operadores de campo libre precisamente para que admitan una expansión en algunos irreps del grupo de Lorentz, y luego asegurándose de que los operadores de campo solo aparecen en combinaciones invariantes de Lorentz en la densidad lagrangiana que se escribe para la teoría, y que produce las ecuaciones de movimiento.

Resulta que las teorías de campo que están escritas involucrando irreps con [math] m ^ 2 <0 [/ math] tienen problemas severos, que no son fáciles de resolver en general, pero que las teorías con irreps que tienen [math] m ^ 2 \ geq 0 [/ math] parece ser, al menos superficialmente, consistente.

Las partículas que se describen en el campo libre, en el enfoque de cuantificación canónica de la teoría del campo cuántico, tienen momentos que satisfacen la relación de capa de masa, y los estados en la teoría del campo libre se pueden describir mediante un conjunto de números de ocupación que indican cuántos partículas de un tipo dado están ahí. Entonces, para cada partícula tenemos la relación de capa de masa:

[matemáticas] p ^ 2 = m ^ 2 [/ matemáticas].

Los valores permitidos para los componentes del momento [math] p_ \ mu [/ math] son ​​cualquier número real. Si [math] m [/ math] resulta ser cero, entonces ese sigue siendo el caso.

La relación de caparazón de masa aún exige que la energía, que es el componente número 0 del momento, y el momento tres que consiste en los otros tres componentes no sean números totalmente arbitrarios, sino que estén relacionados de una manera particular, de modo que el la masa es exactamente cero. Entonces, que una partícula tenga masa cero no implica que tenga un momento cero.

Resulta que, en general, esta imagen no puede trasladarse rigurosamente al caso de una teoría de campo que interactúa en cuatro dimensiones para cualquier caso no trivial. Un teorema llamado teorema de Haag lo impide, y nunca se han construido modelos tridimensionales no triviales que satisfagan lo que parece ser un conjunto razonable de axiomas para la teoría cuántica de campos.

Sin embargo, todavía es posible demostrar que esta visión de lo que es la teoría cuántica de campos es posible mantener, al menos cuando las interacciones son muy débiles; es una descripción precisa de la teoría cuando es una teoría perturbativa. Para ciertas teorías de campo importantes, la teoría de la perturbación puede ser impulsada de manera muy, muy dura y da resultados de acuerdo con todos los experimentos que hasta ahora se han realizado.

Entonces, la mejor imagen matemática, en el sentido de que parece ser la imagen más útil para describir la física, que hasta ahora se puede construir de lo que realmente son la masa y el momento, permite que el momento de un fotón sea distinto de cero al mismo tiempo. tiempo ya que su masa es cero.

Responda a la parte (1) de la pregunta: cuando afirmamos que la masa en reposo de un fotón es cero, queremos decir lo siguiente: a) El fotón no puede existir en reposo. [Algunos dicen que no podemos dejar de lado los fotones. O los fotones no tienen una vida útil.] B) Se deduce de (a) que no podemos acelerar un fotón desde el reposo hasta la velocidad de la luz (que es su velocidad natural). c) De (b) se desprende que los fotones viajan a la velocidad de la luz en el instante en que nacen (se forman). Ejemplo: durante una transición cuántica de un electrón dentro de un átomo; Se emiten fotones. Estos fotones emitidos viajan a la velocidad de la luz.

Un resumen de lo anterior es la siguiente declaración: los fotones están a la velocidad de la luz o simplemente no lo están.

Respuesta a la parte (2): es cierto que los fotones tienen masa en reposo cero. Pero esto no impide su existencia porque tienen energía. De hecho, los fotones son cuantos de energía. El espectro electromagnético representa fotones con frecuencias asociadas tan bajas como 60 Hz (electricidad) y tan altas como 10 ^ 22 Hz (rayos gamma). Estos se traducen en energías tan bajas como una billonésima parte de un eV a 4 M eV. La materia existe como masa o energía. Como los fotones son partículas de energía, ¡existen!

La cosa con la relatividad especial es esta:

La física permanece sin cambios para un marco de referencia que se mueve con velocidad uniforme con respecto a cualquier otro marco de referencia.

¡Este mismo hecho lleva al resultado de que la energía total del sistema también debe ser constante para cada marco de referencia! Pero aquí está el truco: dado que no hay diferencia en la física de un marco de referencia en movimiento, un observador sentado en ese marco de referencia no puede decir (sin mirar fuera de su marco de referencia) si se está moviendo o no. Por lo tanto, dirá que tiene menos energía total (sin energía cinética), lo que es contradictorio con el marco de referencia de “descanso” de observación. Esto llevó a Einstein a afirmar que la masa en sí misma también es relativa y se ajusta a esta restricción de energías iguales en ambos cuadros. Así:

¡Donde M es la masa en el marco de referencia del cuerpo en movimiento y M0 se toma como masa de “reposo”!

En cuanto al fotón, su velocidad es igual a la de la luz y, por lo tanto, el denominador se convierte en cero. Pero para tener energía, ¡una partícula debe tener una masa (la famosa ecuación al cuadrado E = mc)! Por lo tanto, la única solución a este problema es hacer que la forma sea indeterminada. Eso es tomando la masa del fotón como cero y, por lo tanto, afirmando que la forma 0/0 es indeterminada y tiene un valor para cada ecuación diferente. La masa de fotones se calcula mediante otro método que es demasiado complicado y, francamente, no lo entiendo completamente.

• Nota: la derivación de la ecuación de masa implica un postulado llamado ‘Invarianza de velocidad de la luz’ y tomará mucho tiempo y espacio para explicarlo. Sugiero leer cualquier libro de física de nivel universitario sobre mecánica para obtener una explicación detallada.
• He simplificado en exceso la respuesta para que sea comprensible para un laico.

Estoy confundido. Un fotón tiene (contiene, es …) una cierta cantidad de energía, ¿verdad?

Si posee una cantidad finita de energía, E = mc ^ 2 puede resolverse para determinar su masa.

El concepto de ‘masa en reposo’ podría ser irrelevante para la conversación cuando la ecuación se resuelve para ‘m’. Simplemente llámelo con otro nombre, ya que no llamarlo masa sería negar la ‘equivalencia’ entre masa y energía.

Si un fotón no tiene masa, ¿cómo interactúa o con qué interactúa cuando un cuerpo estelar “dobla la luz” como predijo Einstein? ¿Es tiempo de deformación? ¿Deformar el continuo espacio-tiempo? ¿Qué, en todo caso, explica la interacción?

Pero la verdadera fuente de mi perplejidad es esta: E-mc ^ 2 implica que incluso los fotones tienen algún tipo de masa. Cuando golpean un objeto, pueden impartir presión (ceder impulso al objeto) o patear electrones, como en una célula fotovoltaica. Hay una transferencia de energía y energía significa masa. ¡No se preocupe por el cero en el denominador de la ecuación doggonizada en absoluto!

Aquí está la patada … mientras adivino / postulo que los fotones tienen una masa distinta de cero (a través del equivalente de energía), ¿cuántos de ellos han sido emitidos por TODAS las fuentes de fotones en el Universo desde el Big Bang?

¡Incluso un “Equivalente en Masa” muy pequeño multiplicado por una cantidad monstruosamente grande de Fotones Emitidos sobre la “vida del Universo” en realidad podría “multiplicarse” a un número considerable!

Entonces, ¿qué me estoy perdiendo allí? Gracias por considerar mi publicación. Soy “solo una doble E, pero tengo la habilidad de hacer preguntas desde un punto de vista inusual.

Momento y energía del fotón.

En 1906, Einstein asumió que los cuantos de luz (que luego se denominaron fotón) no tienen masa. Energía relativista E y momento P dado por;

Es posible que podamos permitir m = 0, siempre que la partícula siempre viaje a la velocidad de la luz c. En este caso, la ecuación anterior no servirá para definir E y P; ¿Qué determina el impulso y la energía de una partícula sin masa? No la masa (eso es cero por suposición); no la velocidad (eso siempre es c). La relatividad no ofrece respuesta a esta pregunta, pero curiosamente la mecánica cuántica sí, en la forma de la fórmula de Plank;

Como se desprende de la fórmula de masa relativista de Einstein:

Los físicos no se han detenido bajo la suposición de sin masa. Se hicieron más intentos para aclarar los fotones macizos en física teórica y experimental. Algunos físicos mostraron que hay un límite superior en la masa de fotones, aunque la cantidad es muy pequeña, pero no cero.

Hay muchos artículos que muestran que el fotón tiene un límite superior de masa y carga eléctrica, que son consistentes con las observaciones experimentales. Las teorías y experimentos no se han limitado a fotones y también se incluirán gravitones. Para la gravedad ha habido debates vigorosos sobre incluso el concepto de masa de reposo de gravitones.

En las últimas décadas, se discute la estructura del fotón y los físicos están estudiando la estructura del fotón. Alguna evidencia muestra que el fotón consiste en cargas positivas y negativas. Además, un nuevo experimento muestra que la probabilidad de absorción en cada momento depende de la forma del fotón, también los fotones tienen unos 4 metros de largo, lo que es incompatible con el concepto no estructurado.

Masa de descanso

Como sabemos, algunas partículas como los fotones nunca se ven en reposo en ningún marco de referencia. Entonces, hay dos tipos de partículas en la física;

1-Algunas partículas como el fotón se mueven solo con la velocidad de la luz c, en todos los marcos de referencia inerciales. Llamemos a este tipo de partículas las partículas NR o las partículas de condición Never at Rest.

2-Otras partículas como el electrón siempre se mueven con la velocidad v

Según la definición anterior, el fotón y el gravitón son partículas NR, mientras que el electrón y el protón son partículas.

Cargas de color y color magnético

Un fotón con la energía más baja posible también transporta campos eléctricos y magnéticos. Por lo tanto, las características de los gravitones ingresados ​​en la estructura del fotón deben comportarse de una manera que, junto con la explicación de la energía del fotón, describa el aumento en la intensidad de los campos eléctricos y magnéticos. En otras palabras, algunos de estos gravitones causan un aumento del campo eléctrico del fotón y otros gravitones aumentan la intensidad de los campos magnéticos. Además, no solo un fotón en el nivel más bajo de su energía está formado por algunos de los gravitones, sino que también sus miembros formados tienen propiedades eléctricas y magnéticas que se llaman carga de color y color magnético en la teoría CPH. El siguiente paso es especificar las cargas de color y los colores magnéticos en los que se obtiene prestando atención al menos al cambio en la energía del fotón en un campo gravitacional mientras se mueve hacia el cambio de gravedad azul.

Al producir campos eléctricos positivos y negativos, se forman dos campos magnéticos alrededor de los campos eléctricos que se forman. Por lo tanto, se harán dos grupos de colores magnéticos. Entonces la matriz CPH se define de la siguiente manera:

La matriz CPH muestra la energía de menor magnitud de un fotón.

Energía Sub-Cuántica (SQE)

Utilizamos la matriz CPH para definir energías sub cuánticas positivas y negativas de la siguiente manera: la primera columna de la matriz CPH se define energía sub cuántica positiva y la segunda columna de la matriz CPH se define energía sub cuántica negativa, entonces;

La cantidad de velocidad y energía de las energías sub cuánticas positivas y negativas son iguales, y la diferencia entre ellas solo está en el signo de sus cargas de color y dirección de flujo de color magnético.

Fotones virtuales

Hay dos tipos de fotones virtuales, fotones virtuales positivos y negativos que se definen de la siguiente manera:

Un fotón real está formado por un fotón virtual positivo y un fotón virtual negativo:

Dónde,

Son números naturales. Hasta ahora, la producción de energía electromagnética (fotones) se describió mediante el uso del desplazamiento azul gravitacional, en fenómenos inversos, los fotones se descomponen en fotones virtuales negativos y positivos. En el desplazamiento al rojo, los fotones virtuales también se descomponen en energías sub cuánticas positivas y negativas ( SQE s), y las energías sub cuánticas (SQE) también se descomponen en cargas de color y colores magnéticos. Las cargas de color y los colores magnéticos se separan, pierden su efecto entre sí y se convierten en gravitones. Además, existe una relación entre el número de SQEs en la estructura del fotón y la energía (también frecuencia) del fotón.

Entonces, los fotones son una combinación de fotones virtuales positivos y negativos. El fotón es un dipolo eléctrico muy débil que es consistente con la experiencia y se afirman estos artículos. Además, esta propiedad del fotón (dipolo eléctrico muy débil) puede describir la energía de absorción y emisión por partículas cargadas.

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Tradicionalmente se dice que los fotones no tienen masa. Esta es una figura retórica que los físicos usan para describir algo acerca de cómo el lenguaje de la relatividad especial describe las propiedades de partículas de un fotón.

La lógica se puede construir de muchas maneras, y la siguiente es una de ellas. Tome un sistema aislado (llamado “partícula”) y acelere a cierta velocidad v (un vector). Newton definió el “momento” p de esta partícula (también un vector), de modo que p se comporta de manera simple cuando la partícula se acelera o cuando está involucrada en una colisión. Para que este comportamiento simple se mantenga, resulta que p debe ser proporcional a v . La constante de proporcionalidad se llama “masa” de la partícula m , de modo que p = m v .

En la relatividad especial, resulta que todavía podemos definir el impulso p de una partícula de tal manera que se comporte de formas bien definidas que son una extensión del caso newtoniano. Aunque py v todavía apuntan en la misma dirección, resulta que ya no son proporcionales; lo mejor que podemos hacer es relacionarlos a través de la “masa relativista” de la partícula m

rel

. Así

p = m

rel

v .

Cuando la partícula está en reposo, su masa relativista tiene un valor mínimo llamado “masa en reposo” m

descanso

. La masa en reposo es siempre la misma para el mismo tipo de partícula. Por ejemplo, todos los protones tienen masas de descanso idénticas, al igual que todos los electrones y todos los neutrones; Estas masas se pueden buscar en una mesa. A medida que la partícula se acelera a velocidades cada vez más altas, su masa relativista aumenta sin límite.

También resulta que en la relatividad especial, podemos definir el concepto de “energía” E , de modo que E tenga propiedades simples y bien definidas, como las que tiene en la mecánica newtoniana. Cuando una partícula se ha acelerado para que tenga algo de impulso p (la longitud del vector p ) y la masa relativista m

rel

, entonces su energía E resulta ser dada por

E = m

rel

C

2

y también E

2

= p

2

C

2

+ m

2

descanso

C

4 4

. (1)

Hay dos casos interesantes de esta última ecuación:

1. Si la partícula está en reposo, entonces p = 0 , y E = m en reposo c 2.
2. Si establecemos la masa en reposo igual a cero (independientemente de si eso es algo razonable o no), entonces E = pc .

En la teoría electromagnética clásica, la luz resulta tener energía E y momento p , y estos están relacionados por E = pc . La mecánica cuántica introduce la idea de que la luz puede verse como una colección de “partículas”: fotones. A pesar de que estos fotones no pueden descansar, por lo que la idea de la masa en reposo no se aplica realmente a ellos, ciertamente podemos llevar estas “partículas” de luz al pliegue de la ecuación (1) simplemente al considerar que no tienen descanso en masa. De esa manera, la ecuación (1) da la expresión correcta para la luz, E = pc , y no se ha hecho daño. La ecuación (1) ahora puede aplicarse a partículas de materia y “partículas” de luz. Ahora se puede usar como una ecuación totalmente general, y eso la hace muy útil.

¿Hay alguna evidencia experimental de que el fotón tenga masa en reposo cero?

Las teorías alternativas del fotón incluyen un término que se comporta como una masa, y esto da lugar a la idea muy avanzada de un “fotón masivo”. Si la masa en reposo del fotón fuera distinta de cero, la teoría de la electrodinámica cuántica estaría “en problemas” principalmente por la pérdida de la invariancia del medidor, lo que lo haría no renormalizable; Además, la conservación de la carga ya no estaría absolutamente garantizada, como lo es si los fotones tienen masa en reposo cero. Pero independientemente de lo que cualquier teoría pueda predecir, aún es necesario verificar esta predicción haciendo un experimento.

Es casi imposible hacer cualquier experimento que establezca que la masa de fotones en reposo sea exactamente cero. Lo mejor que podemos hacer es ponerle límites. Una masa de reposo distinta de cero introduciría un pequeño factor de amortiguación en la ley de Coulomb de las fuerzas electrostáticas del cuadrado inverso. Eso significa que la fuerza electrostática sería más débil en distancias muy grandes.

Asimismo, se modificaría el comportamiento de los campos magnéticos estáticos. Se puede inferir un límite superior a la masa de fotones a través de mediciones satelitales de campos magnéticos planetarios. La nave espacial Charge Composition Explorer se utilizó para obtener un límite superior de 6 × 10

−16

eV con alta certeza. Esto fue ligeramente mejorado en 1998 por Roderic Lakes en un experimento de laboratorio que buscó fuerzas anómalas en un equilibrio Cavendish. El nuevo límite es 7 × 10

−17

eV. Los estudios de campos magnéticos galácticos sugieren un límite mucho mejor de menos de 3 × 10

−27

eV, pero hay algunas dudas sobre la validez de este método.

Permítanme comenzar con lo que realmente significa masa en reposo. La teoría de la relatividad especial dice que la masa de un objeto aumenta con su velocidad. Esto significa que una partícula que va más rápido también es más pesada. (La masa total se da como m = [matemática] mo / (sqrt (1- (v ^ 2) / c ^ 2)) [/ matemática] donde v es la velocidad de la partícula yc la velocidad de la luz). la masa en reposo de un objeto es la masa que tiene cuando su velocidad es cero.

Los fotones o las ‘partículas de luz’ nunca están en reposo y viajan a la velocidad de la luz. La relatividad también establece que la velocidad de la luz nunca puede ser alcanzada por una partícula. Entonces, en cierto sentido, el término masa no se aplica a un fotón. Sin embargo, los fotones tienen impulso y, por lo tanto, ejercen presión. Pero el impulso por definición está asociado con la masa. Por lo tanto, tratamos los fotones como partículas de masa en reposo cero, pero esto no significa que un fotón pueda detenerse y dar como resultado una partícula de masa cero.

En la teoría de la relatividad, la masa en reposo se define por la constante [matemáticas] m_0 [/ matemáticas] en la ecuación

[matemáticas] E ^ 2 = p ^ {2} c ^ 2 + m_0 ^ {2} c ^ 4 [/ matemáticas]

(Aquí E es la energía total, p es el impulso y c es la velocidad de la luz).

Para un fotón,

[matemáticas] E ^ 2 = p ^ {2} c ^ 2 [/ matemáticas]

entonces concluimos que [math] m_0 [/ math] para el fotón es cero.

Hay otra forma de explicar el impulso en términos de la “masa cinética”. Este es un término que a los físicos modernos no les gusta, porque conduce a la confusión, pero resultó muy útil en el siglo XX, y creo que ayuda a explicar su pregunta de impulso.

La ecuación de Einstein [matemática] E = mc ^ 2 [/ matemática] puede entenderse como una definición de masa cinética m . Si la partícula está en reposo, entonces m es la masa en reposo, y la ecuación proporciona la energía en reposo. Pero si la partícula está en movimiento, la ecuación sigue siendo cierta, pero m es la “masa cinética”.

En relatividad, el momento de una partícula viene dado por mv , donde m es la masa cinética y v es la velocidad.

Se puede demostrar que para las partículas que tienen masa en reposo, la masa cinética también está dada por [math] m = \ gamma m_0 [/ math], donde [math] m_0 [/ math] es la masa en reposo y [math] \ gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1- \ beta ^ 2}} [/ math]. (Aquí [matemáticas] \ beta [/ matemáticas] es la velocidad dividida por la velocidad de la luz, v / c.)

Para partículas con masa en reposo cero, esta ecuación da cero por infinito, un resultado indefinido. Por lo tanto, no funciona para los fotones.

Algunos físicos quieren redefinir el significado de la palabra “masa” para que sea “masa en reposo”, y se molestan mucho con los físicos que continúan usando la antigua definición. El concepto de “masa cinética” me parece útil. Observo que algunas de las otras respuestas a esta pregunta usan el término “masa relativista”. Eso es equivalente a lo que yo llamo la masa cinética.

Un fotón no tiene carga eléctrica ni masa. El concepto de la masa en reposo se deriva de la relatividad especial. La masa en reposo es medida por un observador que ve la partícula en reposo, con velocidad cero. En otras palabras, la partícula está en reposo en lo que respecta a este observador. Así viene el término masa REST. Pero de acuerdo con la relatividad especial, la luz SIEMPRE viaja con la velocidad de la luz, y NUNCA está en reposo y, si la velocidad de algo es c en un marco de referencia, permanecerá c en todos los demás marcos de referencia. Por lo tanto, no es posible hacer que la velocidad del fotón sea cero cambiando a otro marco de referencia.

En teoría electromagnética, la luz resulta tener energía E y momento p, y estos están relacionados por la ecuación simple E = pc. Según la mecánica cuántica, la luz puede verse como una colección de “partículas”, es decir, fotones. A pesar de que estos fotones no pueden descansar, podemos llevar estas “partículas” de luz al pliegue de la ecuación simplemente al considerar que no tienen masa en reposo. De esa manera, la ecuación da la expresión correcta para la luz, E = pc, y no se ha violado ninguna ley. La ecuación se puede aplicar a partículas de materia y “partículas” de luz, por lo tanto, una ecuación general.

En otras palabras, significa que los fotones nunca pueden detenerse, sin ser completamente absorbidos.

Los fotones son cuantos de energía, como pequeños paquetes de energía. Su naturaleza es ondulada y particulada (así como la de todas las otras partículas). Entonces, esta transferencia de energía que se realiza a través de la interacción electromagnética es realizada por fotones. Los fotones no tienen ninguna masa en el sentido clásico. Es una partícula sin masa. Sin embargo, tiene energía e impulso asociados. Esto es algo contrario a la intuición porque el momento clásico es masa por velocidad. Sin embargo, si pensamos de manera relativista, no es tan difícil de entender. Según la teoría de la relatividad, la masa, la energía y el momento forman parte de la misma entidad. Esta entidad única se puede escribir en términos de tensor de energía de estrés.

Entonces, desde el punto de vista relativista, es muy posible que algo tenga una masa que se desvanece, pero aún así un impulso y una energía que no se desvanecen. Si algo tiene todos los términos del tensor de energía de estrés igual a cero, entonces podemos decir con certeza que no existe.

Un punto a tener en cuenta es que hemos utilizado el término masa en reposo en lugar de masa. Según la relatividad, un cuerpo en movimiento posee una masa diferente de la masa que tiene en reposo. Por lo tanto, siempre podemos definir una masa móvil de fotones, que no sea cero.

Es tan interesante que a nivel cuántico la energía se transfiere en pequeños paquetes. Los electrones y protones están unidos electromagnéticamente en un átomo y cuando un fotón (que es portador de energía electromagnética) interactúa con este sistema, se absorbe, mientras que al mismo tiempo crea perturbaciones electromagnéticas dentro del átomo, de modo que el electrón se mueve hacia arriba estado de mayor energía. Es muy hermoso imaginar que la mera existencia de un fotón en la vecindad de un átomo inicia una serie de eventos.

Por la misma razón que mi masa en reposo es de 78 kg y la tuya es … lo que digan tus escalas, así es como funciona el Universo: no hay indicios de que haya alguna razón para que funcione de esa manera.

En la relatividad especial, la luz no tiene masa en reposo porque viaja a la velocidad de la luz … es decir, el modelo teórico para la luz requiere que no tenga masa. Esto se indica por el supuesto de que no hay un estado de reposo absoluto y las ecuaciones de Maxwel.

Eso no es lo mismo que decir que la luz que encontramos en la Naturaleza no tiene masa. Sin embargo, dado que la relatividad especial es una muy buena descripción de lo que sucede en la naturaleza, estamos justificados para decir que la luz está tan bien modelada por las partes sin masa que también podríamos tratar la luz como si estuviera compuesta de partículas sin masa.

Para darle una idea de cuán buena es la descripción, existen límites superiores experimentales para la masa de un fotón, es decir:
http://iopscience.iop.org/articl …

La energía relativista es [matemática] E = \ frac {m_ {0} c ^ {2}} {\ sqrt {1- \ frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}}} [/ matemática], mientras que el impulso relativista es [matemáticas] p = \ frac {m_ {0} v} {\ sqrt {1- \ frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}}} [/ matemáticas], [matemáticas] m_ {0} [/ math] es la masa en reposo de una partícula que se mueve con una velocidad v, siendo c la velocidad de la luz. De estas dos fórmulas [matemáticas] v = \ frac {pc ^ {2}} {E} [/ matemáticas]. Como la velocidad de un fotón es c, poner [math] v = c [/ math] en la fórmula anterior da [math] E = pc [/ math]. Otra fórmula de la relatividad especial es [matemáticas] E = \ sqrt {p ^ {2} c ^ {2} + m_ {0} ^ {2} c ^ {4}} [/ matemáticas]. Poniendo [math] E = pc [/ math], encontramos que [math] m_ {0} [/ math] es cero para un fotón.

Trataré de explicar en la menor cantidad posible de ecuaciones:

En pocas palabras, cada fotón tiene una frecuencia particular. Eso corresponde a una cierta energía como
E = h * f
donde f es su frecuencia.
Esta es la energía en reposo del fotón (energía aproximada a velocidades no relativistas). Las dos contribuciones a la energía provienen de la masa y el impulso. Es debido a esta energía que posee un impulso de descanso a pesar de que su masa de descanso es cero. Si estás mirando objetos sin masa en el reino de STR, es mejor que consideres sus energías. Esa cantidad es sacrosanta y siempre se conservará.

La teoría de la relatividad especial, probada en 1905 (o más bien el segundo artículo de ese año sobre el tema) da una ecuación para la energía relativista de una partícula;
E2 = (m0c2) 2 + p2c2
donde m0 es la masa en reposo de la partícula (0 en el caso de un fotón). Por lo tanto, esto se reduce a E = pc. Einstein también introdujo el concepto de masa relativista (y la equivalencia masa-energía relacionada) en el mismo artículo; entonces podemos escribir
mc2 = pc
donde m es la masa relativista aquí, por lo tanto
m = p / c
En otras palabras, un fotón tiene una masa relativista proporcional a su momento.

Bueno, generalmente no sirve de nada preguntar “¿Por qué?” con respecto a una observación experimental. Por todo lo que hemos visto, la masa del fotón es, si no exactamente cero, entonces muy, muy pequeña.

Ahora, esta pregunta me permite despotricar sobre el concepto de “masa en reposo”. Debería ser obvio que el concepto de “descanso” no tiene sentido para un fotón, y también lo es “masa en reposo”. La masa es masa. La ‘masa relativista’ que todavía afecta a los libros de texto de secundaria ya tiene un nombre: energía. Y no hay necesidad de introducir un segundo nombre para esa entidad. Simplemente hace que las cosas sean confusas.

Y así, el fotón no tiene “masa en reposo”. Sin embargo, tiene energía. Y no hay nada confuso sobre eso. El sol se calienta.

Los fotones están hechos de cuerdas vibrantes de energía con helictitas diestras y zurdas, por lo tanto, muestra un giro cero.

A continuación se muestra un extracto del manuscrito titulado “Teoría de las singularidades y las partículas espaciales (SP): la estructura fundamental de las partículas subatómicas) que el autor acaba de enviar al International Journal for Theoretical Physics (Mahmoud Nafousi). Para obtener la copia completa, envíe un correo electrónico [correo electrónico protegido] .

Debajo está el extracto

A) Quanta de energía (E Quanta, para una sola cadena de energía, E quantum).

E quanta son cadenas elementales idénticas de energía vibrante que se mueven a la velocidad de la luz. Se mueven en momento angular lineal o rotacional (orbital). Cada cuántica E tiene helicidad (un momento angular de giro (giros para zurdos (LR) o diestros (RL)) que no depende de su vibración o momento angular orbital. Hay cantidades iguales de energía LR y RL en el universo. El número total de E quanta y su helicidad se conservan.

Como referencia de la literatura actual: “La helicidad de una partícula es diestra si la dirección de su giro es la misma que la de su movimiento. Es zurdo si las direcciones de giro y movimiento son opuestas. La helicidad es solo la proyección del giro en la dirección del momento lineal. La helicidad se conserva ”. Para nuestros propósitos, nos referimos a Helicity solo para indicar el giro LR o RL de cada cuanto de energía.

Un número variable de estos cuantos E con momento angular lineal se unen para formar diferentes fotones con varios niveles de energía, de ahí la ley E = h * f donde E es la energía, h es la constante de Planck (o una sola cadena de energía) y f es la frecuencia (es decir, el número de cadenas en el fotón).

Entonces, las diversas frecuencias de cualquier fotón están determinadas por el número de E Quanta vinculados / unidos en una estructura similar a una cadena. Esto explica por qué todos los fotones de diferentes frecuencias / vibraciones viajan a la velocidad constante de la luz.

Los fotones se crean en el momento en que la energía se pone en un sistema o intercambio. La masa en reposo del fotón siendo cero es realmente una tontería porque un fotón no existe en estado de reposo. No hay muchos fotones sentados alrededor de la materia esperando a ser expulsados ​​por alguna razón a la velocidad de la luz.
Es por eso que las ondas de agua son un modelo relativamente bueno para las ondas de luz. Si sumerges tu dedo en una cuenca poco profunda de agua, generarás pequeñas olas que viajarán desde ese punto en un frente de onda circular. Pero no se ha perdido masa, recuperó todo su dedo, pero la energía que depositó para crear la perturbación se llevó a través de la cuenca de agua y se registró en las paredes de la cuenca con un aumento muy leve de presión cuando cada frente de ola golpeó . Así que no se transfirió ninguna materia a través de las ondas, pero sí algo de energía y, como sabemos, E = mc ^ 2 energía = masa. Entonces, hay que mirar a los fotones como un sistema de radiación electromagnética, sí, pero también como un sistema de transferencia de información de 1 parte del espacio a otra en la energía (frecuencia) con la que se generó, un poco como tocar una cuerda de guitarra pero la cuerda de la guitarra atraviesa el universo visible.

MC Physics en http: //www.mcphysics proporciona un modelo de un fotón real: viajando a una velocidad promedio de c; con una masa real positiva pero insignificante (que proporciona impulso y energía cinética); y una subestructura giratoria (que proporciona frecuencia y energía cinética adicional) en un documento de viXra, http://vixra.org/pdf/1609.0359v1… .

Ese modelo también proporciona a los fotones todas las propiedades que conocemos y hemos medido de los fotones reales que posee: (impulso, ser afectado por la gravedad, causar dispersión, proyectar EMF como viaje). Más importante aún, coloca a los fotones en la misma base que todas las demás partículas elementales reales en la Naturaleza.

La naturaleza en su núcleo tiene fundamentos simples que se aplican sin problemas en todo el Universo y el tiempo. La complejidad de la naturaleza proviene de la gran cantidad de posibilidades que se producen a partir de esas múltiples combinaciones de los bloques de construcción básicos. Esa simplicidad que conduce a la complejidad no es de naturaleza matemática, pero una vez entendida puede ser modelada matemáticamente. En este momento, las matemáticas están impulsando la ciencia antes de que ocurra la comprensión, en lugar de al revés.