為解釋為什麼大的重力場(例如黑洞)會使光彎曲,我聽說光具有動量。這是對僅受重力影響的大型物體的解決方案。但是,動量是質量和速度的乘積,因此,按照這個定義,無質量的光子不能具有動量。
光子如何具有動量?
這個動量是如何定義的(方程式)?
為解釋為什麼大的重力場(例如黑洞)會使光彎曲,我聽說光具有動量。這是對僅受重力影響的大型物體的解決方案。但是,動量是質量和速度的乘積,因此,按照這個定義,無質量的光子不能具有動量。
光子如何具有動量?
這個動量是如何定義的(方程式)?
這個問題的答案很簡單,只需要SR,不需要GR或量子力學。
在$ c = 1 $的單位中,我們有$ m ^ 2 = E ^ 2-p ^ 2 $,其中$ m $是不變質量,$ E $是質量能,$ p $是動量。就邏輯基礎而言,有多種方法可以證明這一點。一種途徑始於愛因斯坦在1905年發表的論文“物體的慣性是否取決於其能量含量?”另一種方法是從一個事實開始,即有效的守恆律必須使用張量,並證明能量動量四矢量是在適當範圍內傳遞給牛頓力學的唯一張量。
一旦建立了$ m ^ 2 = E ^ 2-p ^ 2 $,對於$ m = 0 $的光子,$ E = | p | $即$ p = E / c $以$ c \ ne 1 $為單位。
人們對該問題的很多困惑似乎是由於人們認為$ p = m \ gamma v $應該是動量的定義而引起的。這實際上不是對動量的適當定義,因為在$ m = 0 $和$ v = c $的情況下,它給出了不確定的形式。但是,可以將不確定形式視為一個極限,其中$ m $接近0並且$ E = m \ gamma c ^ 2 $保持固定。結果還是$ p = E / c $。
這裡有兩個重要的概念可以解釋重力對光(光子)的影響。
(在下面的等式中 $ p $ 是動量, $ c $ span> 是光速, 299,792,458美元\ frac {m} {s} $ span>。)
狹義相對論理論於1905年證明(或者是該年第二篇論文) )給出粒子相對論能量的方程;
$$ E ^ 2 =(m_0 c ^ 2)^ 2 + p ^ 2 c ^ 2 $$ span>
其中 $ m_0 $ span>是粒子的其餘質量(在光子情況下為0)。因此,這減少為 $ E = pc $ span>。愛因斯坦在同一篇論文中還介紹了相對論質量的概念(以及相關的質量-能量當量)。然後我們可以寫
$$ mc ^ 2 = pc $$ span>
其中, $ m $ span>在這裡是相對論質量,因此
$$ m = p / c $$
換句話說,光子的相對論質量與它的動量成正比。
De Broglie關係是量子理論(特別是波粒二象性)的早期結果,指出
$$ \ lambda = h / p $$ span>
,其中 $ h $ span>只是普朗克的常數。這樣可以
$$ p = h / \ lambda $$ span>
因此合併這兩個結果,我們得到
$$ E / c ^ 2 = m = \ frac {p} {c} = \ frac {h} {\ lambda再次c} $$ span>
,請注意 $ m $ span>是相對論質量
在這裡我們得到了:光子的“質量”與波長成反比!然後僅根據牛頓的重力理論,它們就產生了重力影響。 (為消除潛在的混亂根源,愛因斯坦專門證明相對論質量是牛頓質量的擴展/廣義化,因此我們在概念上應該能夠將兩者相同。)
有一些不同之處在任何情況下都可以考慮這種現象的方式,但是我希望我已經提供了一個相當簡單明了的方式。 (可以對廣義相對論進行全面的解釋,但我認為這是最好的概述。)
“動量是質量和速度的乘積,因此,根據此定義,無質量的光子不能具有動量”
這種推理沒有保持。動量是能量和速度的乘積。
“動量是如何定義的(等式)?”
插入因子$ c $,相對論正確的關係動量$ p $和速度$ v $之間的關係為$$ c ^ 2 p = E v $$這適用於非相對論的大顆粒(總能量由靜止能量主導:$ E = mc ^ 2 $,因此$ p = mv $)以及無質量粒子(例如光子)($ v = c $,因此$ p = E / c $)。
如果牛頓的引力可以定義重力引起的光的彎曲,那麼廣義相對論就不會出現。光子沒有質量,從光速傳播這一事實可以明顯看出。引力是一種幻象,似乎吸引了很多東西,但實際上卻扭曲了時空。這就是為什麼一條直線路徑似乎是彎曲的。牛頓的萬有引力定律仍然被使用,因為它很簡單,而且在實際生活中我們很少遇到諸如黑洞之類的巨大物體,對此它不成立。
我認為沒有必要喚起相對論或量子物理學的理論來解釋光如何具有動量而不具有質量。在19世紀,人們已經知道光可以與物質發生碰撞。一束光可以使一個小輪子(在真空中)旋轉。
在經典力學下研究碰撞的關鍵參數是動量:
$$ q = mv $$
(動量始終在孤立的系統中守恆)
自然的問題是:動量守恆原理可以擴展嗎?
根據經驗,只要您將光的動量定義為
$$ q = \ frac {L},根據經驗,您就會知道答案是肯定的。 {c} $$
其中$ L $是光的能量,$ c $是光速。
您是否可以假設光也有質量來擴展類推? p>
該假設是合理的。如果答案是肯定的,則會得到愛因斯坦方程式
$$ m = \ frac {L} {c ^ 2} $$
但是,您不能進行此類擴展因為在物理學中,您必須堅持實驗證據。沒有證據表明光也有質量。
如果是,您如何解決這個悖論?
光動量和物質粒子的動量不是同一回事。
光子路徑彎曲的原因是光子傳播的空間變形。光子在彎曲空間中遵循最短的路徑(稱為 geodesic)。當空間不彎曲或不平坦時,最短的路徑就是一條直線。當空間以某種球面彎曲彎曲時,最短的路徑實際上位於赤道圓周上。
請注意,這是相對論。在牛頓引力中,光子沿直線傳播。
我們可以將光子的動量與De Broglie的關係相關聯
$$ p = \ frac {h} { \ lambda} $$
其中$ h $是普朗克常數,$ \ lambda $是光子的波長。
這也使我們可以關聯質量:
$$ m = p / c = h /(\ lambda c)$$
如果我們將此質量插入牛頓引力公式中,則結果與以下公式不兼容通過實驗進行實際測量。
他們當然有質量。在 LHC rap中說“光子無質量”時,他們指的是其餘質量,只是沒有韻律。
(如果將一堆光子裝到鍍有鏡子的盒子中,它將比平常多$ E / c ^ 2 $)
這是一個需要基本思考的基本問題。我將遠離理論,只關注簡單的事實。從知道布朗運動的那一天開始,就意識到物質粒子是連續運動而不是靜止的,我們應該意識到運動而不是靜止是自然的真正影響變量。因此,應採用速度作為我們研究自然的主要變量。但是速度將空間和時間的單位鎖定在一個不可分割的形式中,然後我們應該得出結論,時空是我們科學努力中需要考慮的變量。但是粒子的速度也必須涉及質量。這說明自然界最基本的變量是動量,其質量,空間和時間的單位鎖定在一起。由於粒子也具有電荷,因此我們還應該添加電荷單位以達到自然界的基本變量。
當我們環顧四周時,我們會看到E.M輻射具有上述所有屬性。它具有沿傳播方向流動的能量和動量形式的機械屬性。這由指向矢量P = E ^ H給出。輻射在其電場和磁場中也具有電磁屬性,這些屬性彼此垂直且垂直於傳播方向。通過簡單地將一束輻射對準中性和帶電的物體,看看它們是否按照力學和電動力學定律運動,這些屬性就可以在實驗室進行實驗驗證。
輻射是自然界的基本成分,這得到了天文觀測的支持,這表明輻射是我們宇宙生命開始時存在的全部東西。實驗室的實驗也支持這一點,其中純輻射(伽馬射線)可以產生物質,而純物質(包括反物質)可以產生純輻射。該過程是完全可逆且無限期的。因此,可以說輻射可以看作是蒸發物質,而物質可以看作是凝聚輻射。如果輻射在閉合環路中以相同的速度繞轉(以相同的速度)而凝結,那麼我們將被束縛的輻射,或者是靜止能量或靜止質量。動量的循環產生內在自旋,而電場的循環(徑向)產生電荷(高斯定理)。磁場矢量垂直於其他兩個矢量-沿自旋方向產生磁偶極矩。這樣就完成了所有必需的物質屬性(由於輻射凝結成物質而出現),從而支持了物質的輻射起源。
因此,動量線性或角動量是我們宇宙的決定性性質,無論是能量還是物質形式。關於光為何繞大物體彎曲,我們注意到當輻射凝結成物質時重力也會出現。這裡的關鍵思想是保持動力。這是我們空間的基本屬性,也是一個實驗性事實。即使是基本粒子和輻射也不能違反這一原理。但是,如果守恆了動量,則鎖定在軌道上的兩個孤立粒子之間的力必須是Bertrand定理中給出的平方反比。實際上,該定理也允許彈簧類型的力(胡克的彈簧力),但這可以證明是平方反比力的一種限制情況。因此,隨著輻射凝結成物質,牛頓的萬有引力定律和庫侖的靜態相互作用定律出現了。現在,在牛頓理論(平方反比理論)中,彈丸在大物體附近彎曲的公式只有彈丸的速度,而沒有彈丸的質量。群眾根本就取消了。根據這一事實,牛頓開始計算例如太陽引起的光的偏轉。碰巧的是,愛因斯坦計算出相同的角度,發現它是牛頓的兩倍。沒有深思熟慮的人宣布,這意味著牛頓公式是錯誤的,因此應該丟棄整個理論,儘管事實上,太陽的質量並不是黑洞的質量,值得對牛頓理論進行重大修改。事實證明,牛頓的計算給出了實際的光偏轉角,而由於問題的對稱性,我們測量的值是該值的兩倍,如下所示: https://file.scirp.org/pdf/JMP_2017102615295175.pdf。從光源直接吸引到太陽表面的光線無法與另一側交叉-而是射向太陽表面。我們所看到的是來自與太陽表面相等的角度的光線。在某種意義上,兩個結果相互支持。
在通常意義上,光沒有動量。頻率和波長吸收動量。精力越充沛,頻率越高。即使光停留在C處,波長也會改變。光不會彎曲,但空間可能會變形。一個更好的問題是,當空間的能量,質量或波長比光少時,空間將如何變形?空間沒有質量,動量,但它們之間的空隙中的星系之間發生了變化(增長)。空間需要大量的能量來使其變形,但是是什麼導致空間變形呢?重力到底是什麼?關於空間和時間的東西聯繫在一起。當遇到引力場時,時間變慢。時間如何有能量扭曲空間?時間的能量從哪裡來,它從哪裡去?確切的時間是幾點?時間和引力是未知數,但除了量子物理學外,物理學中具有恆定的可預測性質。奇異粒子可以逐步進入不同的多重宇宙,並通過概率突然恢復存在。粒子如何同時存在於兩個不同的位置?與該宇宙有關的多節經文在哪裡?弱核力是否弱,因為它與同時只能存在於一個宇宙中的其他物理力相比,同時存在於所有多節中?我還有大約六個問題,但我將在這一點上停止。我們對宇宙了解的越多,未知數就越大。