@ 2017.12.25 , 19:00
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光有多重

光有多重
credit: 123RF

如果很容易就知道光有多重,我们一定早就知道了。或许,一些小时候熟悉的旋律能提供一些线索,就像童谣里面唱的那样:“1492年,哥伦布在蓝色海洋上乘风破浪”。

玩笑之后,我们还是回归正题。首先思考一个问题,光子有质量吗?

光子是光的最小度量单位,它们没有质量。这仿佛是一个显而易见的问题:光是由没有质量的光子组成的,所以光没有质量,也不能承载任何物体。

不过,先别急着下定论——因为光子是有能量的。而正如爱因斯坦所言,物体的能量等于其质量乘以光速的平方。但是,没有质量的物体怎么就有能量了呢?(爱因斯坦一定希望我们没有注意到其中的矛盾性。)

事实上,爱因斯坦想表达的是,能量和质量其实是一回事儿。所有的能量都在某种形式上具备质量属性。光可能没有静止不变的质量。但基于爱因斯坦的理论(并且光也的确表现的像有质量的物体,因为它也受地心引力的影响),我们可以认为物质的能量和质量是共存一体的。在这种情况下,我们将其成为相对论质量。何谓相对论质量?当测量相对于观测者有高速运动的物体时,得到的质量就是相对论质量了。

所以光到底有没有质量呢?看完文章相信你不难知道,这个问题从不同的角度出发,就有不同的答案。显然,若想以常规手段测量其质量肯定是行不通的;但它却是引力场的来源。只要你不以“千克” “磅”等单位来衡量光的质量,并且也能充分理解“质量是能量的一种存在形式”,你就知道,一个充满光的盒子肯定比一个没光的盒子重了。

本文译自 howstuffworks,由译者 Imagine 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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  1. 白菜一斤
    @5 months ago
    3654411

    党的光辉压在身上,嗯,确实有点重

  2. 3654415

    打开的手电筒比关闭的手电筒重?

  3. 3654419

    问题在于质量,重量的定义

  4. 望咪止渴
    @5 months ago
    3654420

    脱了称一下

  5. 核弹狂魔
    @5 months ago
    3654424

    应该是指的是传统的静态质量,动能加上就

  6. 言留客
    @5 months ago
    3654429

    总结:
    质量和能量的关系不是相互转换,而是同一种事物的两面。
    能转换的只有能量的存在形式,比如核能转变成动能,但总的能量就等于总的质量。
    “核反应能把质量转变为能量”其实是一种错误的说法,其实是一部分核能转变成了动能、热能和光能等等,如果把反应后的产物的动能引起的质量增加和光能等带的质量加起来,总质量其实没有变化,但由于反应产物总归要静止、冷却,且一般不考虑光能等的质量,所以收集到的、放凉的产物的总质量就比反应前的少了。
    这样就会推导出一些看起来奇怪的结论:转动的陀螺比静止的陀螺重;弹簧压缩后会变重;同一个物体越热就会越重。

  7. 3654435

    光子没有静止质量,但却有动量(E=pc),这也解释了光束打在物体上会产生作用力。根据质能方程,也可以说是“有质量”。把运动中的光子当作有质量的质点来看待的话并不与物理定律相矛盾

    打开的手电筒不会比关着的重。假设某一段时间内手电筒的电量消耗之类的可以无视,由于手电筒内(光源所在的地方)是对称的形状,在内部发生反射的光束的作用力的合力应该会为0才对

  8. Thewalker
    @5 months ago
    3654436

    光子有静止质量。
    @言留客: 您这个说法倒是第一次听说

  9. 3654461

    与希格斯场发生交互才有质量, 否则无

    光子不与希格斯场直接交互, 仅在耦合中借住耦合粒子间接获得等效质量

    获多少等效质量取决与其能量, 因光速不变等效质量与频率成正比

    若天平两端有吸收物, 蓝光与红光水平照射, 照蓝光的吸收物一侧应会下降

  10. 3654519

    @KOi: 光是含有能量的,光帆就是基于这个原理而产生的,而任何有能量的物体必然有其重量,单个光子的重量因此也是存在的,不过它的表达形式跟我们熟知的物质质量表达不是一样的。

    这么表达可能更简单更容易明白。

  11. Rocky85234
    @5 months ago
    3654611

    所以光到底有没有质量呢?看完文章相信你不难知道,这个问题从不同的角度出发,就有不同的答案。

  12. 3654613

    光,轻如纸张。
    光,散落地方。
    光,在掌声渐息中她慌忙。

  13. 3654660

    首先要明确一点:质量就是能量,能量就是质量,二者没有任何区别。静止质量、运动质量只是为了便于理解、便于比较而设计的。

    在静止状态下(或者更精确地说,相对观测者静止),基本粒子,例如夸克、电子、中微子受到希金斯机制的影响而带有微弱的能量,这些能量就等于相应的质量。光子不受影响,所以它没有静止质量。根据相对论,没有静止质量的物质只会以光速运行。

    不过组成原子核的质子、中子并不能这么简单地解释。质子和中子是由夸克组成的,以强力(强相互作用)粘在一起。强力的势能非常大,这些能量也对应质量,结果质子、中子的99%的质量是由强力的势能带来的,只有1%来自希格斯机制。由于我们日常所见的一切物质都是由原子组成的,而原子的绝大多数质量都来自其原子核里的质子中子,所以我们日常所感受到的一切质量基本上都来自于强相互作用的巨大势能。

  14. 小甜甜
    @5 months ago
    3654671

    运动是绝对的, 但是运动速度是相对的. 我们相对于光, 其实也是做光速运动, 以光速移动吧? 所以对于一个以光速移动的世界, 我们也一直是以光速在运动, 所以说坐地日行八万里, 其实以猎户座的恒星而言, 我们的运动速度非常可怕

  15. 忘川桥
    @5 months ago
    3654711

    @Thewalker: 那您一定不是学物理专业的,@言留客 的说法完全正确。

  16. 忘川桥
    @5 months ago
    3654712

    @小甜甜: 运动是相对的,但真空光速是绝对的。真空中的光速不变是实验得出的结论,是狭义相对论的基础。
    另外太祖写下“坐地日行八万里”是因为地球赤道周长为四万公里,跟猎户座的恒星没关系。

  17. 千方残光
    @5 months ago
    3654721

    光子没有静止质量,但是有动质量。

  18. 3654757

    @忘川桥: 不需要物理专业,我高中老师就说过了

  19. 言留客
    @5 months ago
    3654772

    @言留客:
    oo和xx持平,看起来煎蛋的水平确实比贴吧高多了,我7年前在百度贴吧发类似内容的帖子,回复无一例外是反对的,更有不少人直接骂是胡说八道——那时我着实惊呆了,甚至开始怀疑自己是不是真的错了……

  20. 小甜甜
    @5 months ago
    3654911

    @忘川桥 : 是的, 光速绝对论是现代物理假设之一, 那相对于光速, 对光而已, 其他物质的运动速度是多少? 宇宙在膨胀, 星系间的空间据说如考葡萄面包一样膨胀, 那你远离我, 我也远离你, 速度不是很快吗

  21. 3654933

    @小甜甜: 简单地说,光速是速度的极限,任何静止质量不为0的物质都无法达到光速。另外,光速是信息传递的极限速度,信息无法以超过光速的速度传递到另一处。

    下面是几个更复杂的情况:量子力学里有所谓量子纠缠现象,发生纠缠的两个粒子,即使相隔千万公里,一旦一个发生变化,另一个粒子也会立即变化。这看起来是超过了光速,但信息并未传输。除非那边发一条微信告诉你粒子的状态,否则你无从知道你这边的粒子的状态,而微信的最高速度就是光速。所以在量子纠缠现象中,粒子本身的移动并未达到光速,而粒子状态信息的传输速度最高也只能达到光速。

    还有就是你说的宇宙膨胀,没错,宇宙膨胀的速度可以超过光速。比方说星系GN-z11,它诞生于134亿年前,光线经过了134亿年才到达地球。而那个星系现在离地球有320亿光年远,简单计算就可以知道它离开地球的速度远远超过光速。但这里有个概念要澄清:所谓光速,是指空间平直不变的情况下,真空中光的运行速度。但在巨大的宇宙尺度上,空间在膨胀。光还是以30万公里/秒的速度跑,但空间却越来越远,就好象一把不断自动伸长的尺子。空间的膨胀速度不受光速限制,目前还没有发现可以限制空间膨胀速度的物理规律。但这和我们通常说的物体运行速度是两码事。

  22. 3654979

    @smj: 打开的比关闭的轻,且一直在减轻。因为光跑出来了

  23. 小甜甜
    @5 months ago
    3655015

    @Pstnk : 主要还是无法理解速度的相对性如何定义, 假设两个人拿2手电面对面距离很远的一段距离, 同时打开手电, 发出的光互相照射过来, 速度是光速, 那如果以其中一束光的视角看, 另外一束光是否是双倍光速呢?

  24. 3655026

    @小甜甜: 不是,还是一倍光速。这里一定要采用爱因斯坦的相对性计算方法(所以叫“相对论”),而不能采用符合常理的伽利略相对性。为简化问题,不妨考虑两列相对行驶的火车,车头各有一个人打开手电筒,而地面还站着第三人。无论从地面的视角,还是任何一列火车的视角,两个手电筒发出的光都是以光速前进的,不受火车速度的影响。

    既然光速不变,那就必然要有一些变的东西,否则就会产生悖论。变的东西就是时间、长度、质量等。举例来说,由于光速不变,在地面的人看来,火车上的人的时间变慢了,动作比正常的要慢。火车和上面的人也比正常要短,好像挤扁了一样。此外,如果有办法称重的话,就会发现火车上的人比正常要更重一些。这些都是基本的狭义相对论知识,网上很容易找到更多的这方面内容。

    狭义相对论的基本原理就两条:1 光速不变;2 所有惯性坐标系都有相同的物理规律。其中第二条其实是牛顿力学时代就有的。根据这两条,可以推出很多看似匪夷所思、不合常理的事,却又逻辑严密,而且被一一证实了。狭义相对论的地位极其稳固,根本不用考虑去挑战甚至推翻它。

  25. 小甜甜
    @5 months ago
    3655110

    @Pstnk : 知道相对论的光速作为常量c的假设, 所以光是无法作为参考系的? 不可以光的视角来看待光, 光速恒定也是逻辑因果的推论, 也许非常严密, 但是速度或者时间和空间就是一个物理学的宏观上的概念, 应该有一个更大的概念, 就如经典牛顿物理学是对于日常生活中的逻辑推理, 相对论则更高, 它可以向下涵盖解释经典物理理论, 也许时间和空间的概念也是一个局限的概念, 是否有一个更基本, 更广泛的概念可以涵盖你我以为的基本概念呢?

  26. 3655123

    @小甜甜: 光速不变不是假设,而是在爱因斯坦年代就已经通过实验证实的事实。光是无法作为参考系。相对论里对时间、长度、空间等都有全新的解释,也就是你说的“更基本、更广泛的概念”。学习一下两个相对论的入门知识对提高这些概念的认识很有帮助。

  27. 3655143

    世界在我的肩头
    重如
    一束月光

  28. 3655210

    @wayne: 是Thewalker曲解了言留客的意思,而不是光子没有静止质量这种说法有问题

  29. 面壁者罗辑
    @5 months ago
    3657690

    信不信我一束光砸死你

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