Quelle est la masse d’un photon?

Original: http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/photon_mass.html

 

Cette question se divise en deux parties:

Est-ce que le photon ont une masse? Après tout, il a de l’énergie et de l’énergie est équivalente à la masse.

Les photons sont traditionnellement dit d’être sans masse. Ceci est une figure de style que les physiciens utilisent pour décrire quelque chose sur la façon dont les propriétés des particules ressemblant à un photon sont décrits par la langue de la relativité restreinte.

La logique peut être construit à bien des égards, et ce qui suit est un exemple. Prenez un système isolé (appelé “particule”) et d’accélérer à une certaine vitesse v (un vecteur). Newton a défini le «momentum» p de cette particule (également un vecteur), tels que p se comporte d’une façon simple lorsque la particule est accéléré, ou quand il est impliqué dans une collision. Pour ce comportement simple à tenir, il se trouve que p doit être proportionnelle à c. La constante de proportionnalité est appelé “masse” de m de la particule, de sorte que p = mv.

Dans la relativité restreinte, il se trouve que nous sommes encore en mesure de définir l’élan p d’une particule telle qu’elle se comporte de manière bien définis qui sont une extension de l’affaire newtonien. Bien que p et v pointent toujours dans la même direction, il se trouve qu’ils ne sont plus proportionnelle; le mieux que nous puissions faire est de les relier via “relativiste de masse” de MREL de la particule. Ainsi
          p = mrelv .

Lorsque la particule est au repos, sa masse relativiste a une valeur minimale appelée “masse au repos” mrest. La masse au repos est toujours la même pour le même type de particule. Par exemple, tous les protons ont des masses de repos identiques, et ainsi de faire tous les électrons, et ainsi de faire tous les neutrons; ces masses peuvent être retrouvés dans un tableau. Comme la particule est accéléré à des vitesses toujours plus élevées, sa masse relativiste augmente sans limite.

Il se révèle aussi que, dans la relativité restreinte, nous sommes en mesure de définir le concept de E “de l’énergie”, tels que E a des propriétés simples et bien définis tout comme ceux qu’il a dans la mécanique newtonienne. Quand une particule a été accélérée afin qu’il ait une certaine dynamique p (la longueur du vecteur p) et relativiste MREL de masse, alors son énergie E se révèle être donnée par

E = mrelc2 ,   et aussi    E2 = p2c2 + m2restc4 .    (1)

Il ya deux cas intéressants de cette dernière équation:

Si la particule est au repos, alors p = 0, et E = mrestc2.
Si nous mettons le reste masse égale à zéro (indépendamment de savoir si ou pas que ce soit une chose raisonnable à faire), alors E = pc.

En théorie électromagnétique classique, la lumière se révèle avoir de l’énergie et l’élan E p, et ceux-ci se trouvent être liés par E = pc. La mécanique quantique introduit l’idée que la lumière peut être considérée comme une collection de “particules”: photons. Même si ces photons ne peuvent pas être traduits en reste, et ainsi de l’idée de masse au repos ne se applique pas vraiment à eux, nous pouvons certainement apporter ces “particules” de la lumière dans le giron de l’équation (1) simplement en les considérant ne pas avoir masse au repos. De cette façon, l’équation (1) donne l’expression correcte pour la lumière, E = pc, et aucun dommage n’a été fait. L’équation (1) est maintenant en mesure d’être appliquée à des particules de matière et “particules” de la lumière. Il peut maintenant être utilisé comme une équation générale entièrement, et qui le rend très utile.

Y at-il des preuves expérimentales que le photon a une masse nulle?

Théories alternatives du photon comprennent un terme qui se comporte comme une masse, et cela donne lieu à l’idée très avancé d’un “photon massif”. Si la masse au repos du photon était non nul, la théorie de l’électrodynamique quantique serait “en difficulté” principalement par la perte de l’invariance de jauge, ce qui le rendrait non-renormalisable; aussi, conservation de la charge ne serait plus absolument garantie, car elle est si photons ont une masse nulle. Mais indépendamment de ce que toute théorie pourrait prévoir, il est toujours nécessaire de vérifier cette prédiction en faisant une expérience.

Il est presque certainement impossible de faire toute expérience qui serait d’établir la masse photon reste à être exactement zéro. Le mieux que nous pouvons espérer faire est de placer des limites sur elle. Un non nulle masse au repos introduirait un petit facteur d’amortissement à l’inverse du carré de la loi de Coulomb forces électrostatiques. Cela signifie que la force électrostatique serait plus faible sur de très grandes distances.

De même, le comportement des champs magnétiques statiques serait modifié. Une limite supérieure à la masse du photon peut être déduite des mesures par satellite des champs magnétiques planétaires. La Charge Composition Explorateur vaisseau spatial a été utilisée pour calculer une limite supérieure de 6 × 10−16 eV avec une grande certitude. Cela a été légèrement améliorée en 1998 par Roderic Lakes dans une expérience de laboratoire qui avait l’air pour les forces anormales sur un équilibre Cavendish. La nouvelle limite est 7 × 10−17 eV. Études des champs magnétiques galactiques suggèrent une bien meilleure limite inférieure à 3 × 10−27 eV, mais il ya des doutes sur la validité de cette méthode.

Les références:

E. Fischbach et al., Physical Review Letters 73, 514-517 25 Juillet de 1994.

Chibisov et al., Sov. Ph. Usp. 19, 624 (1976).

Voir aussi l’examen des propriétés de particules au http://pdg.lbl.gov

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