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光和影子有重量嗎?

光和影子我們都看得見,但我們都抓不住,那么,光和影子會(huì)有重量嗎?是不是因?yàn)樗鼈兌紱]有重量,所以我們才抓不住光和影子呢?

光子十分特殊,因?yàn)樗鼈円怨馑龠\(yùn)動(dòng),而且只能以這個(gè)速度運(yùn)動(dòng)。對于其他物體,光速是不可能達(dá)到的。光子之所以能夠達(dá)到光速,是因?yàn)樗鼈兊撵o止質(zhì)量(m0)為零。而其他物體達(dá)不到光速,則是因?yàn)樗鼈冇徐o止質(zhì)量。根據(jù)狹義相對論,無靜止質(zhì)量的東西只能以光速運(yùn)動(dòng)。

不過,這并不意味著光子沒有質(zhì)量。光子在運(yùn)動(dòng),它們有能量。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程(E=mc^2),可以得到光子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量,又稱相對論性質(zhì)量:

m=E/c^2

另外,結(jié)合普朗克能量公式(E=hν),光子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量可以表示為:

m=hν/c^2

其中h和c都是常數(shù),光子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量只取決于頻率ν,頻率越高,光子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量越大。

由于光子存在運(yùn)動(dòng)質(zhì)量,就必然要求它們的靜止質(zhì)量為零,這是因?yàn)閮烧叽嬖谌缦碌年P(guān)系:

對于光子,上式中的分母為0,所以分子也必須為0,這樣0/0不定型極限才有意義。否則,任何光子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量將會(huì)變得無窮大,這與上述結(jié)果相矛盾。但對于其他擁有靜止質(zhì)量的物體,它們的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量會(huì)隨著速度趨于光速而變得無窮大,所以它們永遠(yuǎn)也無法達(dá)到光速,因?yàn)槌掷m(xù)加速需要無限多的能量。

另一方面,影子是由物體擋住光而產(chǎn)生的黑暗區(qū)域,這本身并不是什么物理實(shí)體,只是一種光學(xué)現(xiàn)象,所以談?wù)撚白拥闹亓渴菦]有什么意義的。只有在有光的地方才會(huì)出現(xiàn)影子,如果沒有光,一切都是黑暗的,也不會(huì)有影子的概念。

不過,影子在某些時(shí)候會(huì)減輕物體的表觀重量。光子照射到物體上會(huì)產(chǎn)生光壓,如果有影子,光壓就會(huì)變小,表觀重量也會(huì)減輕。

持續(xù)照射到地球上的太陽光會(huì)對地球產(chǎn)生一個(gè)推力,只是這個(gè)推力很小,僅會(huì)讓地球獲得10^-16米/平方秒的加速度。如果以這個(gè)加速度從138億年前宇宙誕生時(shí)加速到現(xiàn)在,地球的速度也只會(huì)增加50米/秒。

雖然光壓十分微弱,但未來卻能作為星際飛船的動(dòng)力來源。如果我們能夠制造出巨大而又輕盈的光帆,通過太陽光或者地球上的激光進(jìn)行不斷照射加速,這種太空飛行器可以被加速到亞光速,成為能夠穿越星際的飛船。

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