¿Puede algo sin masa ejercer una fuerza?

Question

Soy una especie de diletante en física, así que les ruego me disculpen si la respuesta a esta pregunta es dolorosamente obvia. La pregunta es simple, ¿puede algo que teóricamente no tiene masa ejercer una fuerza? Llevo tiempo dándole vueltas a esta pregunta y a otras similares y no he encontrado ninguna respuesta concreta. Estoy pensando en cómo la luz parece ser capaz de empujar objetos pero no tiene masa, sin embargo he ampliado la pregunta para que sea más abarcadora con la esperanza de seguir aprendiendo.

Answer 1

Sí, los fotones pueden. Véase https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pressure (y los fotones ciertamente no tienen masa).

PD De hecho, cualquier partícula sin masa tiene momento(*) y si se dispersa sobre un cuerpo, cambia su propio momento y el del cuerpo, que es lo que hace una fuerza.

(*) $p = \hbar k = E/c$ donde $E$ es su energía y $c$ es la velocidad de la luz

Answer 2

La 2ª Ley del Movimiento de Newton da la fuerza impresa como $F=dp/dt$ por lo que una teoría física para una partícula sin masa que ejerce una fuerza requiere que la partícula tenga momento, $p$ .

Primero hablaremos de la masa, el momento, la ley de la fuerza y la relatividad especial.

En la física newtoniana, la masa se identifica de dos maneras: por su inercia o como cantidad de materia. La medida ordinaria es por comparación, con una fuerza conocida, o una balanza. Primeros experimentos, 1905-06 con partículas cargadas aceleradas a través de un voltaje controlado encontraron que la masa inercial variaba con el cambio en la energía cinética adquirida, confirmando predicciones anteriores de Lorentz, 1904 y Einstein, 1905 .

El término masa en reposo denotado $m_0$ entró en el léxico de la física, junto con el masa longitudinal y transversal Estos dos términos adicionales son necesarios porque las medidas varían según el lugar. Para algunos propósitos siguen siendo útiles, pero resulta que el masa en reposo es un invariante relativista, que permanece inalterado bajo un impulso de Lorentz. Por tanto, en terminología moderna masa significa masa en reposo y se denota por $m$ o para los más anticuados, de vez en cuando $m_0$ .

En Factor de Lorentz , $$\gamma=1/\sqrt{1-v^2/c^2},$$ proporciona la corrección relativista necesaria para el momento, $p=\gamma mv$ sustituyendo a la newtoniana $p=mv$ para una partícula con masa. Así que la Segunda Ley del Movimiento de Newton sigue siendo $F=dp/dt$ .

Ahora hablaremos de la luz, de cómo transporta el momento y del concepto de no tener masa. Para la Resumen de las FAQ sobre física, véase aquí .

La luz, como señaló por primera vez Maxwell, viaja con la misma velocidad en el vacío, independientemente del sistema de referencia inercial del observador; para el cálculo véase Derivación de la velocidad de propagación de un cambio en el campo electromagnético a partir de las ecuaciones de Maxwell . Para los historia, ver aquí .

La relación entre la energía y el momento de la luz se puede encontrar a partir de la Vector de Poynting como se deduce de las ecuaciones de campo en el vacío. El resultado es que $p=E/c$ que se deduce de la presión de radiación .

En la ecuación relativista para la energía total incluye el momento y es $E^2=(pc)^2+(mc^2)^2$ ; cuando $p=0$ esto se simplifica a la icónica $E=mc^2$ . Para el caso con momento, pero sin masa en reposo, obtenemos $E=pc$ que proporciona la expresión relativista para el momento de la luz: $p=E/c$ lo que es coherente con las ecuaciones de Maxwell.

Así que para una teoría relativista autoconsistente, si empezamos con las ecuaciones de Maxwell, terminamos con luz en movimiento libre que tiene momento, pero no masa. Si la luz está atrapada en una caja estacionaria, contribuirá al peso de la caja en proporción a la energía de la luz, $m_L=E_L/c^2$ a la masa de la caja sin la luz atrapada.

En este punto hemos mostrado la hoja de ruta para (a) la ley de fuerza relativista, $F=dp/dt$ y (b) que la luz tiene momento, $p=E/c$ y (c) que este momento implica que la luz no tiene masa. Así que ahora introducimos la fotón una partícula de luz.

Históricamente, Planck introdujo la hipótesis de que la energía de la luz puede ser cuantizada, $E=hf$ donde la energía de cada cuanto viene determinada por su frecuencia. Einstein aplicó este concepto al efecto fotoeléctrico, y de Broglie, utilizando la Relatividad Especial de Einstein más la relación de Planck, propuso una relación complementaria para la longitud de onda de una masa con momento, $p=h/\lambda$ . Esta expresión es equivalente a la relación de Planck cuando $p=E/c$ se inserta en el lado izquierdo, porque $\lambda f=c$ .

Planck y de Broglie, juntos, sientan las bases de la mecánica ondulatoria; el término "fotón" para este quanta sin masa, o partícula de luz apareció por primera vez en la literatura en 1926 .

Así que en conclusión, sí, algo sin masa, el fotón, puede aplicar una fuerza; esto se hace a través de su momento.

La verificación experimental debe hacerse con cuidado, ya que una fuerza puede aplicarse por absorción o por reflexión. En el caso de absorción el cambio de momento es $|p|$ mientras que para la reflexión se duplica, ya que el impulso actúa tanto yendo como viniendo.

Para la absorción, la demostración puede hacerse con Molino ligero de Crooke , a menudo denominado radiómetro; éste responde claramente a la luz, pero el análisis es complejo y no muestra directamente la presión debida a la luz.

La detección directa de la presión de la luz debida a la reflexión requiere un espejo de equilibrio de torsión fina en el vacío, realizada con éxito por primera vez en 1901; hoy en día puede realizarse en un laboratorio de física avanzada de licenciatura.

Answer 3

Según la relación

$$\mathrm{Force = Mass \times Acceleration}$$

La fuerza se define como el fenómeno que crea una aceleración en un cuerpo con masa. La masa corresponde al cuerpo sobre el que actúa y no al cuerpo que actúa. Teóricamente es posible que la luz ejerza fuerza ya que tiene energía y momento.

Espero que se aclare su duda