​​​​​​​На школьных уроках физики нам рассказывали про все: и про длины волн, и про виды линз, и про волны с корпускулами… Так много всего заумного, что задаваться детским вопросом сколько же весит свет становится просто стыдно. Не переживайте — мы задались вопросами и нашли ответы за вас!

Примерно 90% информации об окружающем мире человек получает визуально, то есть благодаря улавливанию зрительными анализаторами отражений света.

Природа света

Свет — это видимое глазом электромагнитное излучение, а раздел физики, который занимается ее изучением — это оптика. Каждый раз, когда вы будете слышать про что-то «оптическое», знайте: это как-то связано с физическими свойствами света.

Можно сказать, что световой поток — это что-то вроде радиации. Это тоже поток некоторых частиц, только мы можем его визуально зафиксировать, а вот это не всегда характерно для других видов излучений.

Свет — побочный продукт высвобождения энергии. Фотоны света, излучаемые источником света (звездой, пламенем свечи, лампой накаливания) — это просто испускание энергии.

Рассмотрим выделение световой энергии на примере лампочки накаливания. Нить накаливания в лампе сделана из вольфрама — самого тугоплавкого металла. Вольфрам, как и любой другой элемент, состоит из молекул — совокупности атомов, «слепленных» вместе. Когда вы сообщите лампочке электричество, электрон в атоме нити накаливания получит энергию и перейдет на более высокий уровень. Когда электрон вернется в свое исходное естественное состояние, он испустит энергию — фотон света.

Лампа накаливания

Другие виды ламп такие, как светодиодные, флуоресцентные и так далее, отличаются друг от друга по многим параметрам. Однако, все они дают один и тот же результат — излучение фотонов света из-за перехода электронов с более высоких орбиталей или энергетических состояний на более низкие.

При воздействии постоянного электрического тока электрон поднимается в более высокое состояние, а затем снова падает и излучает. Этот непрерывный цикл подъемов и падений миллиардов электронов производит поток постоянного света от лампочки.

Корпускулярно-волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм – свойство любой микрочастицы проявлять признаки частицы, то есть корпускулы, и волны. Наиболее ярко явление выказывают элементарные частицы, в том числе фотоны. При одних условиях он ведет себя как хорошо локализованный в пространстве материальный объект — частица. Фотон движется с понятными нам энергиями и импульсами по классическим траекториям. Стоит изменить условия, как вдруг фотоны показывают трюки вроде интерференции и дифракции, а это, вообще-то, суперспособность волны.

Дифракция электронов

Принцип корпускулярно-волнового дуализма лежит в основе квантовой механики.

Сколько весит свет?

Давайте для начала поймем вот что: а свет вообще весит сколько-нибудь? Если бы на этот вопрос существовал простой ответ, то он звучал бы примерно так: «Ну… Свет немножко весит, но не так, как весят обычные вещи». Если свет состоит из фотонов, то есть частиц, то у них должна быть какая-то масса. А зная массу, мы сами можем вычислить вес!

А вот и нет. Дело в том, что фотоны не имеют массы покоя. Они ребята нервные и существуют только в движении со скоростью света. Поэтому поймать их и взвесить это просто невозможно.

Излученные фотоны в когерентном луче лазера

Получается, что фотоны составляют свет, и у них нет массы. Следовательно, у света тоже нет массы, и он ничего не может весить, верно? Cнова нет. У фотонов есть энергия — и, как завещал дедушка Эйнштейн, энергия равна массе тела, умноженной на квадрат скорости света. Как у фотонов может быть энергия, если у них нет массы?

На самом деле, Эйнштейн доказывал, что энергия и масса могут быть одним и тем же — вся энергия имеет некоторую форму массы. Свет может не иметь массы покоя. Но из-за теории Эйнштейна (и того факта, что свет ведет себя так, как будто у него есть масса, поскольку он подвержен гравитации), мы можем сказать, что масса и энергия существуют вместе. В этом случае мы бы назвали это релятивистской массой — такой массой, когда объект находится в движении, а не в состоянии покоя.

Преломления света прямоугольной призмой

Имеет ли свет массу, которую можно измерить на весах в магазине? Нет. Коробка со светом весит больше, чем коробка без света? Да. Так сколько же весит свет?!

Столько же, сколько и его энергия. Когда стенки любого сосуда излучают тепло, то заполняют внутренний объем фотонами. Они там как-то хаотично движутся в разных направлениях, поэтому их средняя скорость равна нулю. И этот фотонный газ имеет массу равную его энергии, вот и его взвесить можно!

Скорость света

Нам, простым смертным, кажется, что свет распространяется мгновенно, что, разумеется, совсем не так. Первое самое точное значение скорости света получил американский физик Альберт Майкельсон в 1926 году.

В 1983 году году международная группа ученых с помощью технологии лазерной интерферометрии уточнила скорость света в вакууме и получила беспрецедентно точное значение.

Скорость света в физике считается фундаментальной константой и обозначается латинской буквой c. Да-да, в знаменитой формуле Эйнштейна о соотношении массы и энергии речь идет именно о ней. Это значение — предельная скорость частиц и любых других взаимодействий в природе. Это значит, что ни одна частичка и ни один процесс во всей Вселенной не может быть быстрее! Ну, по крайней мере, мы о таком не знаем.

источник