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光和影子有重量吗?

光和影子我们都看得见,但我们都抓不住,那么,光和影子会有重量吗?是不是因为它们都没有重量,所以我们才抓不住光和影子呢?

光子十分特殊,因为它们以光速运动,而且只能以这个速度运动。对于其他物体,光速是不可能达到的。光子之所以能够达到光速,是因为它们的静止质量(m0)为零。而其他物体达不到光速,则是因为它们有静止质量。根据狭义相对论,无静止质量的东西只能以光速运动。

不过,这并不意味着光子没有质量。光子在运动,它们有能量。根据爱因斯坦的质能方程(E=mc^2),可以得到光子的运动质量,又称相对论性质量:

m=E/c^2

另外,结合普朗克能量公式(E=hν),光子的运动质量可以表示为:

m=hν/c^2

其中h和c都是常数,光子的运动质量只取决于频率ν,频率越高,光子的运动质量越大。

由于光子存在运动质量,就必然要求它们的静止质量为零,这是因为两者存在如下的关系:

对于光子,上式中的分母为0,所以分子也必须为0,这样0/0不定型极限才有意义。否则,任何光子的运动质量将会变得无穷大,这与上述结果相矛盾。但对于其他拥有静止质量的物体,它们的运动质量会随着速度趋于光速而变得无穷大,所以它们永远也无法达到光速,因为持续加速需要无限多的能量。

另一方面,影子是由物体挡住光而产生的黑暗区域,这本身并不是什么物理实体,只是一种光学现象,所以谈论影子的重量是没有什么意义的。只有在有光的地方才会出现影子,如果没有光,一切都是黑暗的,也不会有影子的概念。

不过,影子在某些时候会减轻物体的表观重量。光子照射到物体上会产生光压,如果有影子,光压就会变小,表观重量也会减轻。

持续照射到地球上的太阳光会对地球产生一个推力,只是这个推力很小,仅会让地球获得10^-16米/平方秒的加速度。如果以这个加速度从138亿年前宇宙诞生时加速到现在,地球的速度也只会增加50米/秒。

虽然光压十分微弱,但未来却能作为星际飞船的动力来源。如果我们能够制造出巨大而又轻盈的光帆,通过太阳光或者地球上的激光进行不断照射加速,这种太空飞行器可以被加速到亚光速,成为能够穿越星际的飞船。

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