Tak přece má foton hmotnost!?

Fyzika je úžasná věda, která proměnila celou naši civilizaci. Stačí vzpomenout třeba jen elektřinu bez níž by nebyly počítače, mobily, TV, osvětlení našich bytů atd. Ovšem výjimečně se v ní objeví i dost iracionální tvrzení. 

Jedním z takových tvrzení je, že fotony světla nemají hmotnost. Přitom nikdo nezpochybňuje, že mají energii a impuls. A třeba onen impuls p je součin hmotnosti částice a její rychlosti, tedy p = m.v. U fotonu, který se pohybuje rychlostí světla, pak pochopitelně p = m.c. Ono m je zde pochopitelně hmotnost fotonu. Kdyby foton ale neměl hmotnost, tedy by bylo m =  0, pak bychom měli p = 0.c, tedy foton by neměl ani impuls. Ostatně i fyzikální rozměr impulsu je [kg.m/s], tedy se bez kilogramu neboli hmotnosti neobejde. Prostě impuls bez hmotnosti není možný.

Stejnou úvahu můžeme provést s energií. Fyzikální rozměr energie je [kg.m2/s2], tedy zase nutně vyžaduje nenulovou hmotnost. Co nemá hmotnost, nemůže mít (v našem vesmíru) ani energii. Podobně jako jsme vyložili rovnici p = m.c pro impuls, můžeme vyložit rovnici pro energii E=mc2.

Jsem proto velmi rád, že se objevilo na české Wikipedii logicky konzistentní řešení, že foton hmotnost má, viz obrázek níže:

Myslím, že tato formulace o nenulové hmotnosti fotonu tam dříve nebyla, protože když jistý profesor fyziky před třemi lety kritizoval mou filosofickou Ph.D. dizertaci, tvrdil, že je nesmysl, aby měl foton hmotnost. Taky proto jsem hledal na všechny strany, kdo o tom něco říká, a na Wiki jsem tvrzení, že má foton hmotnost, nenašel. Ostatně je to často tradované tvrzení, že je foton nehmotný a z něj plyne pak esoterický a nevědecký názor, že světlo je čistá energie, tedy energie nehmotná. A jak jsme si převedli už v úvodu, je to neobhajitelné tvrzení.

Že bych přece jen někoho svými argumenty přesvědčil a ten někdo by českou Wikipedii v tomto směru změnil? Nebo ho přesvědčil recenzovaný článek nositele Nobelovy ceny za fyziku  Wolfganga Ketterleho, na který jsem v kauze upozornil? Dotyčná nobelista v něm hmotnost fotonu vyčíslil, jak jsem zjistil dodatečně po oné kritice mé dizertace. :) V tom článku dotyčný doslova píše:

"Jediný foton s hyperjemnou frekvencí Cs ? má energii E = hv, která se pomocí Einsteinova vztahu E = mc^2 přemění na hmotnostní ekvivalent m=h?/c2. Nová definice kilogramu stanoví relativistickou hmotnost fotonu při hyperjemné frekvenci Cs jako m = 6,777 265 x 10-41kg." Tuto větu a dotyčné pojetí rovnice E = mc^2 můžete najít v článku "An atomic physics perspective on the kilogram’s new definition" v časopise Physics Today. Viz obrázek níže. 

Dotyčný kritizující pan profesor o mě doslova napsal, že bych u něj neudělal ani bakaláře z fyziky. To by pak ale toho bakaláře u něj evidentně neudělal ani dotyčný nositel Nobelovy ceny za fyziku. :) Když se pan profesor do mě nevybíravě pustil i v dalších prohlášeních (viz popis celé kauzy v článku Proč se Česká televize zajímala o rovnici E=mc2 v Ph.D. dizertaci), můžu mu to oplatit: Jakou vědu asi dotyčný profesor přednáší, když mu tvrzení v jeho vlastním oboru, tedy fyzice, musí opravovat student filosofie? :)

To, že foton má hmotnost, se dá podpořit i dalšími argumenty. Celé zmatení vyplývá z tvrzení, že klidová hmotnost fotonu je nulová. Problém je tu ale v tom, že foton není nikdy v klidu. Co ale takové tvrzení o nulové hmotnosti pak znamená? Je to tvrzení o neexistujícím objektu. A takový neexistující objekt pochopitelně nemá žádnou vlastnost, neboli všechny vlastnosti má nulové. Nulová klidová hmotnost tedy znamená jen a pouze, že takový foton (v klidu) neexistuje a nic jiného. Není to tvrzení, jak se někteří domnívají, že existuje foton s nulovou hmotností.

Dalším argumentem je to, že 98% klidové hmotnosti protonu netvoří klidové hmotnosti jeho složek, kvarků. Oněch 98% hmotnosti tvoří relativistická (pohybová) hmotnost oněch kvarků a relativistická hmotnost gluonů, které je spojují (nechme stranou, že je vše mnohem složitější a že gluony se "mění" v protonu na kvarky apod.). Gluony jsou přitom obdobou fotonů v tom, že jsou to částice s "nulovou klidovou hmotností", jak se to často vyjadřuje. Přesto hmotnost gluonů přispívá ke klidové hmotnosti protonů.

Nebo analogicky, máme-li kulové zrcadlo, zrcadlem obrácené dovnitř, a pustíme do něj malý otvorem světlo a světlo v něm uzavřeme, naměříme, že ono zrcadlo má větší hmotnost s fotony než bez nich. Prostě fotony a jiné částice s "nulovou klidovou hmotností" efektivní nenulovou hmotnost vždy mají.

A těší mě, že vědecky správné řešení se probojovalo už i do české Wikipedie a že alespoň ona není v tomto bodě zdrojem esoteriky.

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

Zajímají vás podobná fyzikální témata? Pak zkuste některý z následujících článků:

Pochopte základní ideu Einsteinovy teorie relativity za pár minut
Proč je rychlost světla stále neměnná - relativita snadno a názorně...
Co skutečně znamená rovnice E=mc^2