Je foton skutečně nehmotný?

V popularizačních médiích můžeme číst, že se při atomovém výbuchu mění část hmotnosti atomů na energii, ba dokonce na čistou energii. Touto čistou energií mají být především fotony. Pojďme toto tvrzení trochu prozkoumat.

Vzorec E = m.c^2 je podle tohoto chápání vztahem přeměny hmoty na energii nebo v jiných procesech přeměny energie na hmotu. A hmota má být téměř totéž co energie, nebo přesněji, vše má být energie a hmota má být jednou z jejích podob. První nesrovnalost tady ale je, že písmeno m zde neoznačuje hmotu, ale hmotnost. Hmotnost je jedna z vlastností hmoty. Další vlastností je právě energie.

Když uděláme prostinkou matematickou analýzu, je ze vzorce E = m.c^2 zřejmé, že hmotnost a energie jsou rozdílné entity, není to totéž. Kdyby to totiž bylo totéž, zněla by ona rovnice E = m. Ale ona má tvar E=m.c^2. Z této rovnice taky plyne, že zatímco hmotnost má fyzikální rozměr kg, energie je kg.m^2.s^-2. Z toho je tedy jasný nejen fakt, že hmotnost (hmota?) je něco jiného než energie, ale také že hmotnost je neoddělitelnou složkou energie, tedy že neexistuje žádná energie bez hmotnosti. Onen kg (hmotnost) je totiž obsažen ve fyzikálním rozměru energie, tedy v kg.m^2.s^-2 (tedy i v energii). A protože nikdo netvrdí, že fotony nemají energii, musí také každý souhlasit s tím, že mají i hmotnost.

Totéž vyplývá z všeobecně přijímaného, nikým nezpochybňovaného faktu, že fotony mají impuls. Impuls je směrová míra pohybu (energie je míra pohybu, která v sobě neobsahuje informaci o směru). Impuls p je součinem hmotnosti a rychlosti, p = m.v. V případě fotonu, který se pohybuje rychlostí světla tedy p = m.c. Kdyby foton neměl hmotnost, pak by neměl ani impuls, protože by pak platilo p = 0.c = 0. Totéž platí pro energii. Má-li foton energii, což nikdo nezpochybňuje, musí mít hmotnost. Kdyby ji neměl, pak by platilo z E = m.c^2 že E = 0.c^2, tedy E=0.

Naprosto jistě tedy foton efektivní hmotnost má. Jiná věc je jeho klidová hmotnost. Podle výpočtů by měl mít nulovou klidovou hmotnost. Nelze tady ale použít vzorec speciální teorie relativity pro růst hmotnosti s růstem rychlosti, protože speciální teorie relativity není platná pro rychlost světla. Argumenty pro to najdete zde: Proč má teorie relativity problém s rychlostí světla. V podstatě jde ale o to, že foton se nezrychluje z klidu na nějakou rychlost jako tělesa s nenulovou klidovou hmotností. Ještě důležitější ale je, že foton není nikdy v klidu, takže představa nulové klidové hmotnosti, je fantazie o něčem, co nemůže existovat. A protože tedy nulová klidová hmotnost nejde přímo empiricky ověřit, není to ani vědecká představa. Finální rozhodnutí v empirickém oboru jako je fyzika totiž dává pouze empirické ověření nebo vyvrácení. To ale pochopitelně není možné u stavu, který nemůže existovat.

K tvrzení nevědeckosti nulové klidové hmotnosti jde dojít také následující prostou úvahou. Představme si, že nějaký objekt O má nulovou hmotnost (proto jsme zvolili O připomínající nulu). Pozorujme ho v té inerciální souřadné soustavě, kde je v klidu, aby nám nekomplikoval úvahu relativistický růst hmotnosti s rychlostí. Do tohoto objektu O narazí jiný objekt H, který hmotnost má (H jako hmotnost). Z této srážky by podle klasické mechaniky na základě zachování impulsu musel objekt O odletět nekonečnou rychlostí. Ale jsme v moderní fyzice, kde nekonečná rychlost není možná, takže by to bylo složitější. Mohli bychom ale změřit ztrátu energie objektu H způsobenou srážkou, protože objekt H musí část své energie předat objektu O, aby se objekt O začal pohybovat. (Pro názornost si představte srážku pohybující se kulečníkové koule se stojící koulí.) Ztráta energie objektu O bude ale nulová. (Pro pochopení si představme, že koule O je z polystyrenu a koule H ze železa.) Navíc by to nešlo empiricky potvrdit ani vyvrátit, protože každé měření má nenulovou nepřesnost. V té se malá, téměř nulová změna "utopí" a tak nikdy nebudeme schopni rozlišit, jestli byla nulová nebo velmi malá.

A nejenže představa nulové hmotnosti fotonu není v empirické fyzice ani vědecká, ale i výpočet jeho klidové hmotnosti založený na experimentálním měření jeho vlastností nedává nulu, ale nenulovou hmotnost 1×10-18 eV/c^2 (třeba viz tento link). Je to ale horní limit, který vyplývá z nenulové nepřesnosti měření, jak jsme vyložili výše.

Čím se tedy ale foton liší od částic s (nenulovou) klidovou hmotností? Rozdíl je v tom, že veškerá energie fotonu je v jeho přímočarém pohybu. U částic s nenulovou hmotností je velká část jejich energie, kterou si můžeme představit (bez nároku na vědeckou přesnost) jako vnitřní rotaci (spin) nebo pohyb ve 4.dimenzi prostoročasu. Prostě to není energie pohybu v našem 3D prostoru. K tomu spinu navíc je vhodné dodat, že to vypadá, že jde o rotaci okolního pole spolu s rotací částice. 

Takže nevěřte fyzikálnímu katechismu, který tvrdí, že hmota mění v energii a energie ve hmoty a že foton nemá hmotnost. Nic takového není pravdou.

-------------------------

Jestli vás zajímají korekce dalších nevědeckých představ fyziky, zkuste třeba:
Co skutečně znamená rovnice E=mc^2Proč neexistuje prostoročasChybička pana Einsteina aneb proč není současnost jen iluzeNevědecké pohádky moderní vědy III - "náboženství" Schrödingerovy kočky