「老闆,來一斤陽光,要新鮮的,多加點可見光成分。」如果以後光也變成一種商品,想想都覺得那是一種很酷的購物體驗。
當然,我們現在不去討論那麼科幻甚至是玄幻的東西,而要討論一下,陽光,它真有質量嗎?能不能稱斤出賣。
這個問題不像平時買菜問青菜多重、肉有多重那麼容易回答,我們先看看怎麼回事。
根據愛因斯坦狹義相對論,只有質量為0的物質才能達到光速,所以光子沒有質量。而光是由光子組成的,而光子是沒有質量的,所以光也就沒有質量,沒有質量的東西當然也就沒有重量可言。看起來似乎很有道理,實際是不是這樣的呢?
先不著急下結論,因為老愛又給了另外兩個公式。一個叫做質能方程E=mc^2,另一個叫光的能量公式E=hf,根據這兩個公式可以得出m=hf/c^2(其中E為能量,h為普朗克常數,m為質量,c為光速,f為頻率)。
上面的公式主要說明了兩個事情:
第一是光是具有能量的,同時還具有質量。因為根據E=mc^2,能量E不為零,質量m是不能為零的。又根據狹義相對論,有質量的物質是不可以達到光速的,看起來是不是有點相互矛盾?
其實這裡面有一些跟我們常規理解不一樣的東西,也就是說光子有質量,又沒有質量。有質量,是指這個光子的質量並不是靜止的質量,而是動質量。沒有質量,是指光沒有靜止質量,這意味著,光不能以靜止的狀態存在,不能把光想像為相對靜止。
在這種情況下,我們把它叫做相對論質量——當一個物體處於運動狀態時的質量,與靜止狀態是相對的。
第二是能量和質量是統一的,可以相互轉化的。
光子是沒有靜止質量的,所以太陽光也沒有靜止質量。若將質量和能量統一,那麼也可以認為它有質量。這是光子的動質量,光子沒有靜質量,當然也從未發現過靜止的光子。
因此光子有速度、能量、動量、質量,有凝聚。光子不可能靜止。光子可以變成其它物質(如一對正負電子),但能量守恆、動量守恆。
既然陽光有重量,那光子有多重呢?很輕,很輕,完全可以忽略的輕。根據公式計算,一個光子的動態質量大概為:9.347543(38)×10^-36 千克。基本等於沒有,但是它卻真實存在。
目前也有部分科學家認為光子是有靜態質量的。在出版的美國《物理學評論快報》上,有專文介紹說:「一項由中國科學家羅俊等完成的新的實驗表明,在任何情況下,光子的靜止質量都不會超過10的負54次方千克。」但是目前還沒有得以完全確認,否則可能會顛覆經典理論。
根據光子的特性,光子不僅具有波動性,還具有粒子性。由於光具有粒子性,根據動量定理,當光子打到物體身上時,會對此物體產生一定的壓力,即所謂的光壓。大量光子長時間作用,對物體就會形成一個穩定的壓力。
可能會有一些同學問,如果光沒有靜止質量,為什麼會有光壓產生呢?
這個問題問得好,其實光壓與我們常規理解的壓力不同,光壓的產生與物質的靜止質量無關。光壓其實是一種輻射壓強,即光子照射在物質上時,光子將本身擁有的運動質量轉化為能量的結果,這樣就會是對被照射的物體產生一種壓力,也就形成了光壓。
早在17世紀初,天文學家克卜勒就曾用太陽光的壓力解釋彗星的尾巴為什麼背著太陽。為了證明光壓的存在,1901年,俄國物理學家成功地測量出光壓的大小。根據壓強公式,可以計算出太陽的光壓大約在5*10^-6帕斯卡,相對於正常的大氣壓強1.013*10^5帕,光壓小到基本不存在。又由於人體感覺器官感覺能力的限制,所以沒有人能感受到它。
但是如果是在宇宙中,光壓就不能忽略不計了。一個最著名的例子就是,彗星運行時,它的尾巴總是背對著太陽,它就是受到光壓的影響。當然,太陽光對地球也是有光壓的,太陽光對地球的光壓約為4.5*10^(-6)N/m^2 。
地球由於大氣層的影響,在太空的真空環境下,光壓的影響就很容易被放大。由於光的粒子性,光壓的大小跟物體的顏色有巨大的關係如果是黑色的物體,光照射後基本被完全吸收,就能獲得光子的動量;如果能產生鏡面反射的物體,那麼物體不止要吸收原先光子的動量,還要給反射回去的光子提供反方向動量,對物體造成的光壓也將翻倍。
正是基於光壓的特性,在航天中有著非凡的應用。在蒸汽機發明以前,人類的海洋航行主用使用帆船,利用風能,控制合適的角度,讓船航行。太空中,科學家們計劃製作巨大的太空光壓風帆,利用光能的壓力,推動宇宙飛船前進,降低太空航行的能耗,實現未來太空遠航的夢想。
綜上所述,我們知道陽光是有質量的,但是只是有動質量。如果想論斤稱,估計是沒有辦法了。