Ursprunglig fråga:
Enligt relativitetsteorin har fotonen ingen massa, pga. att den rör sig med ljushastigheten. Samtidigt påverkas fotoner av gravitationen (avböjning av ljus som passerar nära en massa, gravitationell rödförskjutning).

Jag har läst att man har visat experimentelt att ljuset ändrar sin frekvens(minsking av energi) när den färdas från jorden. Tycker att det låter konstigt!

Min lärare sa att "Fotonen har massan noll och det är därför den rör sig med ljusfarten. Alla objekt som har massa rör sig med farter som är mindre än ljusfarten." Hur kan man då förklara det med experimentet där fotonen kan påverkas av gravitationsfält??

Det är helt förvirrat för mig då jag läser att fotoner inte har någon massa men den kan ändå ha partikelegenskaper. Hur kan det komma sig? Och vad betyder egentligen dessa experiment som har vissat att fotoner påverkas av gravitationskraften och att den har rörelsemängd (compton spridning).
/Ali Z, borgarskolan, malmö

Svar:
Ali! Det var många svåra frågor. Låt oss börja med partikel-egenskaper. Jag tycker inte man skall föreställa sig en foton varken som en partikel eller en våg. En foton är en foton som lånat egenskaper både från partiklar och vågor.

Fotonens massa: Fotonen har energin E=hv. Eftersom energi och massa är ekvivalenta (E=mc²), så har fotonen massa. Man kan emellertid inte tala om fotonens vilomassa eftersom begreppet en stillastående foton saknar mening.

Experimentella bevis för att fotonen saknar vilomassa kommer bland annat från det faktum att den elektrostatiska kraften (Coulombs lag, som ju förklaras genom ett utbyte av virtuella fotoner) varierar som 1/r² En utbytespartikel med ändlig vilomassa hade givit ett annat avståndsberoende.

Se fråga 16939 för mer om historien bakom fotonbegreppet och länk 1 för en mer detaljerad framställning. Wikipedia-artikeln Photon är mycket bra, medan den svenska versionen är OK men inte särskilt omfattande: Foton .

Fotoner påverkas på två sätt av gravitationsfält:

1 Avböjning, t.ex. vid passage nära solen. Detta har behandlats ganska detaljerat i fråga 16021 .

2 Gravitationell rödförskjutning.

Till skillnad från avböjning så kräver faktiskt en tillfredsställande behandling av gravitationell rödförskjutning bara enkel klassisk fysik och speciella relativitetsteorins E=mc². Börja med att studera den enkla animeringen under länk 2!

Den potentiella energin hos elektronerna i övre läget är (mgh)

2m_e*g*H

Om vi förlänger med c² får vi

2m_ec²*(g*H/c²) = E_foton*(g*H/c²)

Vi får det relativa skiftet för höjdskillnaden 22.5 m (ref. ¹):

DE_foton/E_foton = gH/c² = 9.803*22.5/(2.998*10⁸)² = 2.454 10^-15

Det relativa skiftet har uppmätts (ref. ¹) med hjälp av mössbauerspektroskopi (se nedan) för 14.4 keV fotoner från ⁵⁷Co-sönderfall. Det uppmätta resultatet 2.451 10^-15 (med c:a 1% osäkerhet) är i bra överensstämmelse med detta.

Observera att det enda antagande vi gör är energins bevarande, vilket är en av fysikens grundläggande och mest etablerade lagar.

Observera även att man kan se skiftet till större våglängd (och därmed lägre frekvens) när fotonerna går uppåt är ekvivalent med att klockan går långsammare i ett starkare gravitationsfält.

Liknande experiment med hjälp av satelliter som sänder ut en mycket välbestämd frekvens har bekräftat Einsteins teori med en noggranhet bättre än 1 del på 10⁴.

Se vidare General_relativity , Gravitational_redshift och Pound-Rebka_experiment .

Se även http://fy.chalmers.se/~f1xjk/FysikaliskaPrinciper/FOREL.lp2/F16/F16.html

Mössbauerspektroskopi

Mössbauer-effekten är rekylfri emission och absorption av gammastrålning från atomkärnor. När en atomkärna utsänder ett gammakvantum förloras i en del av energin till kärnans rekyl liksom vid absorption i en absorberande kärna. Detta eftersom både energi och rörelsemängd måste bevaras i processen.

I mössbauereffekten elimineras förlusterna dels genom att de radioaktiva kärnorna sitter i en kristall som tar upp rekylen, så att emission och absorption kan ske vid samma energi och dels genom att man kan kompensera energiförlusten genom att låta den utsändande kärnan röra sig.

Eftersom rekylen är mycket liten räcker det med en mycket måttlig hastighet på några mm/sekund, se nedanstående bild där det lilla diagrammet är en plot av ett mössbauerspektrum med hastighet på den horisontella axeln och observerad intensitet på den vertikala. Dippen i spektrum reflekterar det exciterade tillståndets vidd DE. Vidden är relaterad till tillståndets livslängd enligt Heisenbergs obestämdhetsrelation :

DE·Dt = h / 4p ~ 10^-34 Js

Se vidare Mössbauer_spectroscopy och mössbauer-effekten . Se även fråga 14685 . ____________________________________________________________
¹ Pound and Snider, Physical Review Letters Vol 13, 18 (1964) 539

Nyckelord: relativitetsteorin, allmänna [33]; #ljus [63];

1 http://www.desy.de/user/projects/Physics/ParticleAndNuclear/photon_mass.html
2 http://fragelada.fysik.org/reltest1/frame.htm