Прийнято вважати, що фотон не має маси, це безмасова частинка. Разом із тим знаменита айнштайнівська формула E дорівнює mc2 означає, що маса та енергія суть одне ціле. Тільки описуються різними способами.
c2 - просто коефіцієнт перерахунку, кілограм в джоулях. Якщо ви візьмете, наприклад, 12-кілограмову собаку і помножите її масу на швидкість світла у квадраті, ви отримаєте вираз її маси в джоулях. Звичайно, собака не стане безмасовою частинкою.
Те ж саме з фотоном. Коли ми ділимо енергію фотона на швидкість світла у квадраті, ми просто переходимо до вимірювання енергії в кілограмах. Відповідно, фотон не набуває маси, тим більше ваги.
Нагадаємо, Ісаак Ньютон взагалі обчислював масу в кілометрах, в кубах, в днях у квадраті. Після цього собака за логікою англійського фізика не перетворювався на дорогу.
Фокус в тому, що фізики, як завжди, трошки лукавлять. Виявляється, масу фотона можна вимірити. Для цього світлову частинку треба спіймати в ящик з двома ідеальними дзеркалами. Фотон нібито застрягає між дзеркалами в нескінченному коридорі й бігає між ними.
Вага ящика збільшується. Як? Справа в тому, що, енергія нікуди не зникає, вона завжди змінюється. Наприклад, хімічна енергія всередині бензину трансформується в енергію руху автомобіля. А вона, в свою чергу, трансформується в теплову енергію гальм, якщо цей автомобіль потрібно зупинити.
Другий приклад: якщо тіло нагріти, то його маса і вага зміняться. Гаряча вода важить більше, ніж холодна. Тобто енергія впливає на масу. Але людська психіка не сприймає фізичну реальність. Для нас маса відповідає за кількість речовини у певному об'ємі.
Для нас, спостерігачів, кількість речовин не повинна змінюватися. Вся справа в частинках: вони вібрують з такою швидкістю, що обмежують доступний для сприйняття простір. Неможливо проткнути пальцем стіл.
Електрони всередині пальця, електрони всередині столу не пропускають один одного. Саме електрони та їхні вібрації створюють ілюзію енергії. За логікою Айнштайна: речовина — це не тверда поверхня, матерія. Речовина — це насамперед сама енергія.
І якщо ви додаєте енергію, нагріваючи воду, її маса збільшується.
Тепер повернемось до фотона в коробці. Виходить, що фотон, б'ючись о дзеркала, передає свою енергію коробці.
Тому ящик стає більш масивним і, відповідно, важить більше: E дорівнює mc2. І тут з'являється імпульс.
Коли ви прирівнюєте масу до нуля для фотона, ви розумієте, що фотон - це чиста енергія та одночасно імпульс.
Згідно з ньютонівською фізикою, якщо до якогось об'єкта прикладати силу нескінченно довго, то цей об'єкт може розігнатися до нескінченості. Але перші досліди з електронами показали, що розігнати не-світло до швидкості світла неможливо, яку б силу ви не прикладали.
Мало того, чим більше ви прискорюєте частинки, тим більше відчувається, що електрон набирає масу.
Чому? Він відхиляється від горизонтального руху. Зміна маси — це міра відхилення від прямолінійного руху, “чистої гравітації”, коли існує системний тиск з боку джерела енергії.
Зрештою, чим ближче до швидкості світла, тим швидше зростає маса. Тому потрібна нескінченна кількість сили, щоб розігнати її до швидкості світла.
В результаті плутанина з масою фотонів триває нас з початку минулого століття. Фізики, звичайно, викрутились, коли ввели два поняття: “релятивістська маса” і “маса спокою”. Тут релятивістська маса - це маса з вектором, маса руху. На практиці — маса спокою плюс маса, яка дається з енергією.
Проблема в тому, що в реальності маси спокою не існує. Це кабінетний термін, необхідний для математичних розрахунків. А також для шкільної програми, де присутні нерелевантні речі: нерухомі частинки, пласка Земля з її евклідовою геометрією, всесвіт-бутерброд та ще багато-багато дивних ілюзій. Пояснити дітям справжню модель світу дуже складно, а більшість людей таких знань не потребують.
Але ми думаємо, що маємо справу з поодинокими у всесвіті речами, на які не діє жодна енергія. Кожна річ нібито живе в окремому від нас просторі. Так, на жаль, працює шкільна освіта.
Так от: коли ми говоримо, що фотон не має маси, ми говоримо, що він не має маси спокою. Але маса фотона обчислюється. Методологічним інструментарієм ядерної фізики.
І за цим інструментарієм 20 крапель води еквівалентні 21 000 тоннам тритію. Чистої енергії, якої досягти, звичайно, неможливо.
Все б нічого. Але є ще одне “але”. Насправді для всіх інших частинок маси спокою теж не існує. Частинки завжди рухаються. А відтак, ми вимушені, як ті фотони, постійно метушитись між двома своїми дзеркалами, від релятивістської маси до маси спокою.
Бо насправді ми не знаємо, що таке маса і звідки вона береться.
