На первый взгляд вопрос о весе тени кажется глупым. Даже, если у тени есть какой-нибудь вес, то он должен быть настолько мал, что его возможно измерить только техникой для микрочастиц. Также существует другой вопрос, имеет ли свет вес, так как он, так или иначе, должен наделять определенным весом любой объект?
Оба этих вопроса кажутся странными, но достаточно интересными, поэтому я и решил в них разобраться.
Давайте для начала вспомним Питера Пэна, говорят, у него была живая тень, но она была настолько незначительной, что кажется весила не больше сигаретного дыма. Питер Пэн был, конечно, вымышленным персонажем, хотя на квантовом уровне, возможно, это и не имеет значения, и его создатель, Дж.М. Барри, не имел достаточного количества научных знаний.
В самом деле, используя одну из систем отсчета, можно сделать вывод, что наши тени на самом деле весят меньше, чем ничего. Четыреста лет назад астроном Иоганн Кеплер заметил, что хвосты комет всегда обращены в сторону от Солнца, и пришел к выводу, что солнечные лучи оказывают давление, которое уносит частицы в сторону. В конце 19 века физик Джеймс Клерк Максвелл сформулировал уравнение для подсчета давления света, которое было подтверждено экспериментально в 1903 году.
Надеюсь, вы понимаете, к чему я клону. Если вы стоите, и на вас падают лучи солнца, вы создаете зону пониженного давления, покрытую тенью. По сравнению с остальной частью пейзажа, ваша тень (или, точнее, площадь, которую она покрывает) весит меньше.
Насколько меньше? Ненамного. Давление солнечных лучей невероятно мало: менее миллиардной Па на земной поверхности. Другими словами, потребовалось бы несколько миллионов человеческих теней для учета одного фунта силы света, находящегося в тени. Свет, падающий на город Чикаго, имеет общую силу около 1334Н.
Тем не менее, очень маленький не означает, несущественный. Для того, чтобы японский космический зонд «Хаябуса» приблизился к астероиду Итокава в 2005 году, парил рядом с ним, а также не взорвал его или столкнулся с ним, было учтено давление света, равное 1 проценту тяги двигателя зонда. Это было сделано с невероятной точностью, поэтому зонд смог приземлиться на астероид, собрать образцы пыли и вернуться на Землю в июне 2010 года.
Другим, не менее интересным, объектом является японский солнечный парусник IKAROS, мечтa писателей-фантастов на протяжении по крайней мере 50-ти лет, был, наконец, запущен в 2017 году. Идея состояла в том, что солнечный парус использовал для своего движения давление света, солнечный ветер (слабый поток заряженных частиц, истекающий из солнечной короны) и полезную нагрузку. В июне IKAROS успешно поднял свой парус, квадрат ультратонкой пленки толщиной 7,5 мкм, оснащенный солнечной батареей, служащей источником питания. В июле японскoe космическое агентство сообщило, что IKAROS двигается вперед с помощью солнечного давления, равного 1,12 мН, что, в принципе, не так и много. Но эта сила вырабатывается солнечными лучами, и это бесплатно! Ученым сделали это на расстоянии более четырех миллионов километров! Это заслуживает уважения.
В 2010 году исследователи из Австралийского Национального университета, показали, что свет может быть использован, чтобы поднимать крошечные частицы и перемещать их на расстояние 12 дюймов (30 см). Они полагали, что в конечном итоге смогут сделать то же самое на расстоянии 33 футов (10 метров), которое также не кажется таким уж большим. Однако, если крошечная частица является смертельным вирусом, живой клеткой или молекулой газа, которые невозможно переместить другим способом … вы понимаете о чем я.
Итак, является ли вопрос о весе тени глупым? В общем-то, да. Однако, в поисках ответа на этот глупый вопрос, мы делаем небольшой, но очень значительный шаг, пытаясь понять, что такое сравнительно малый вес? Ранее этим вопросом задавались Кеплер, Максвелл, а теперь и мы.
Помнится опыт со школьных уроков физики. Луч света направлялся на турбинку, лепестки которой были окрашены попеременно в белый и черный цвета. Под воздействием света турбинка начинала вращаться, что наглядно доказывало, что свет имеет импульс. Это значит, что световой поток представляет собой не только волны, но и частички-корпускулы (имеет двойную или двойственную природу). А что касается веса тени, то эта величина имеет отрицательное значение потому, что то малейшее давление лучей света принимает на себя тело, экранирующее тень.
Про тень на Тhequestion целая дискуссия:
— Вес (в физике) — это сила, с которой тело давит на опору. Обычно его путают с массой, так как в гравитационном поле Земли вес пропорционален массе, а коэффициент пропорциональности (ускорение свободного падения) практически неизменен. Также и во вращающейся неинерциальной системе (например, во вращающейся космической станции) центробежная сила (а с нею и вес объектов) будет пропорциональна их массе, но коэффициент пропорциональности будет уже иным. Теперь о тени. Конечно, это не объект. И массы у нее нет. Тем не менее, в некотором смысле у тени есть вес. Только он — отрицательный! Ведь тень — это отсутствие света из-за вставшей на его пути преграды. Свет — это поток фотонов, имеющих массу и скорость, а с ними и импульс. Если бы фотоны долетали, они передавали бы свои импульсы освещенной «опоре», оказывая непрерывное давление. А давление, умноженное на площадь — это сила. Можно сказать, вес света. Ну а тень — это отсутствие и света и его «веса». То есть, по сравнению с освещением тень как бы имеет «отрицательный» вес, примерно как «дырка» (нехватка отрицательно заряженного электрона в полупроводнике) «имеет» положительный заряд.
— Что за абсурд? Массу фотоны не имеют, они имеют импульс, и если вы руководствуетесь формулой E = mc^2, то для фотона энергия будет равна E = pc, потому что массы покоя у фотонов нет и быть не может. Теперь про отрицательную массу. Отрицательной массой, гипотетически, обладают частицы экзотической материи. И проявляется это в том (не забываем, что масса это мера инерции), что если «толкнуть» эту частицу, она полетит в другую сторону. К данному вопросу она не имеет никакого отношения. Если следовать вашей уличной логике, то отрицательным можно назвать все, что вроде должно быть, но этому есть какая-то преграда. Еще насмешили такие допущения грубые как: импульс это масса, а масса это сила, а сила это давление, а давление это вес. С таким подходом можно доказать все что угодно. Для этого есть даже какое-то название (не помню), когда за основу (истину) берется ложное суждение и из него выводится утверждение, которое нужно. Вы бы могли стать неплохим конспирологом 🙂
— Импульса без массы не бывает. Энергии без массы тоже не бывает. О массе пркоя не было сказано ни слова. Вес — это не масса. Об этом было сказано с самого начала. Отрицателен (в некотором смысле) «вес» тени. О «массе» тени речи не было. Представлять отсутвие чего-то как присутствие чего-то прямо противоположного — это удобная, давняя и широко применяемая традиция в физике. Я не случайно сослаося на «дырки» (нехватки электронов) в полупроводниках. Их удобно рассматривать (и рассматривают!) как «носители заряда» с подвидностью электронов, но противоположным знаком заряда. Поскольку я не подряжался учить вас азам физики
— Тяжело пройти мимо вопроса, у которого в топе висит в корне неверный ответ. Вес — векторная физическая величина, характеризующая силу воздействия тела на опору. P = m*g. Видно, что вес может быть отрицательным, например в случае если плотность тела меньше плотности среды (на тело действует выталкивающая сила). Отрицательность веса не означает его отсутствие. Теперь немного о том, что из себя представляет тень. Тень — оптическое явление, возникающее при разной освещенности. И это далеко не значит, полное отсутствие света. Просто одна поверхность ярче (на нее фотонов попадает и отражается больше), а другая тусклее (тень). Мы знаем, что массу фотоны не имеют (если бы у фотона была масса, то его отклонение в гравитационном поле должно было бы зависеть от его частоты, однако такое мы не наблюдаем, по всем расчетам пока что ахроматична), а потому не имеют веса, но зато обладают энергией и импульсом. Поскольку фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, оказывает на него давление (квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества), но его никаким образом нельзя отождествлять с весом. Все вышеизложенное, это комментарий к ответу Nekto. На самом же деле тень не имеет веса, потому что является лишь оптическим явлением, например таким, как переливы бензина (интерференция в тонких плёнках) или ваше отражение в воде.
— Разве независимость от частоты что-то доказывает? В классической механике угловое отклонение света тоже не зависит от частоты (deltaV/c) = (2*G*M)/(R*c2). В СТО будет (deltaV/c) = (4*G*M)/(R*c2), то есть, в два раза больше, но никаких зависимостей не убавляется/добавляется. Мне сомнительно, что от изменения терминологии может исчезнуть какой-то параметр системы. То есть, вес света никуда не должен деваться. Его может быть нужно как-то переопределить, но не должно такого быть, что в старом варианте он был ненулевой, а в новом — нулевой. Тем более, что импульс-то есть.
СКОЛЬКО ВЕСИТ СВЕТ? Столько же, сколько его энергия.
Фотоны, частицы света, не имеют массы покоя и существуют только в движении со скоростью света. Поэтому один фотон взвесить нельзя. Однако стенки любого сосуда испускают тепловое излучение, заполняя внутренний объем фотонами. Они беспорядочно движутся во всех направлениях, и их средняя скорость равна нулю. Такой, как говорят физики, фотонный газ имеет массу, соответствующую его энергии (E = mc2), и в принципе его можно взвесить. Например, тепловое излучение внутри литровой емкости весит примерно как один атом углерода. Масса излучения быстро растет с температурой, но лишь при миллиарде градусов оно сравняется по плотности с привычным нам веществом. Причем само это излучение уже будет не обычным светом, а жестким рентгеном.
Проще простого это узнать. Бежим на кухню, берем электронные весы и, где-то в полдень, ставим прямо перпендикулярно солнечному свету. Предполагая что мы чистюли и весь свет полностью отражается от блестящей поверхности весов, возьмем из таблицы ru.wikipedia.org численное значение давления Солнца при полном отражении (9.08 микроНьютон деленный на квадратный метр) и умножим на площадь рабочей поверхности наших весом (~0.11 квадратный метр). Получим ~100 наноНьютон, силу давления солнечного ветра на весы. Переведем это в известные всем единицы (килограмм), разделив результат на ускорение свободного падения (9.8 м/сек^2). Вот и результат, который мы увидели бы на наших кухонных весах, взвешивая солнечный свет, ~10 нанограмм?
Вопреки довольно часто встречающемуся мнению, аналог массы света есть, и вполне физически осмысленный. Произведём мысленный эксперимент. Допустим, имеется камера с зеркальными абсолютно отражающими внутренними стенками и с точно известной массой. И пусть теперь на короткое время внутрь неё через отверстие попадает мощный луч какого-нибудь лазера, вскоре после чего отверстие закрывается. Свет — находится в камере, путешествует там от стенки к стенке.
Так вот, если бы были возможности сверхточных измерений, то было бы обнаружено, что масса камеры со светом, заключённым внутри, выросла. В частности, она станет тяжелее. И инерция её вырастет. И гравитация (!). Традиционно все эти свойства относят именно к массе.
Формальное доказательство — хотя бы такое: пусть в камере некоторое время находятся электроны и позитроны; ес-нно, они увеличивают общую массу. Вскоре после этого они все аннигилируют — и мы имеем камеру с гамма-квантами. Ясно, что масса камеры не изменилась!
А сколько весит Вселенная?
Сколько весит Вселенная можно попытаться вычислить через определение массы квазаров. Изучая соседние галактики, исследователи определили, что есть корреляция между массой черной дыры и Галактики. Как правило, масса черной дыры составляет небольшой процент массы звездной системы, в диапазоне от примерно от 0,14 процента до 0,5 процента. Если это соотношение справедливо в ранней Вселенной масса Галактики должна быть эквивалентна ошеломляющему количеству триллионов массы Солнц в звездах. Не говоря уже о его темной составляющей материи, которая на сегодняшний день является наиболее массивной частью каждой звездной системы. Определить массу других Галактик пока не представляется возможным, если они существуют в современной Вселенной. Но если галактики действительно существуют в предсказанном диапазоне масс, то это будет впервые обнаружено в этой эпохе.
Изучение массивности галактики будет содержать сведения о том, как она растет во Вселенной. Её рост порядка 2000 км в день. Существует совершенно недоказуемая цифра, что масса Галактики где-то в пятидесятой степени тонн. Сила светимости далеких квазаров и вес Вселенной.
Почему корреляция между массой черной дыры и галактики существует? Какие отношения существуют между аккрецией черной дыры и образованием звезд? Исследователи подсчитали, что светимость квазаров зависит на максимальной скорости от предела Эддингтона. Предел Эддингтона существует, потому что чем быстрее черная дыра поглощает тело, больше трения, и, следовательно, больше света образуется в аккреционном диске. По мере увеличения скорости потребления черной дыры, сумма излучения радиационной знергии увеличивается, что в свою очередь замедляет скорость потребления. Достигается предел Эддингтона.
Предел Эддингтона критическая наибольшая величина мощности излучения и светимости. Доказано английским астрофизиком Артуром Эддингтоном как условие равновесия тяги, давления и излучения. Дополнительный свет излучается наружу, оказывая давление на падающее вещество, замедляя его. Нелогично, как может показаться, свет на самом деле оказывает давление на объекты при достаточном освещении и приравнивается к значительномй силе.
По таким вопросам, касающимся роли черных дыр ученые формируют какие-то убедительные модели, но нет консенсуса по данному вопросу. Если квазар является уникальной лабораторией для изучения то черная дыра квазара и галактика – развиваются вместе.
Свет от квазара также может быть использован, чтобы узнать о Вселенной и в других отношениях. Яркость позволит исследователям зондировать межгалактическую среду, как никогда раньше. Межгалактическая среда представляет собой распределение газа и пыли между галактиками, содержащей водород, гелий, а также различные металлы (в астрофизических условиях, все вышеперечисленные гелия элементы известны как «металлы»). Свет от квазара должен пройти достаточно долго, прежде чем он поступает на Землю. Когда свет проходит через газ, некоторые длины волн света лучше проникают через газ, чем другие, а некоторые элементы блокируют определенные длины волн. Так, изучая спектр от объекта и, увидев, что некоторые длины волн в спектре отсутствует, исследователи могут узнать о содержании газа. Тем не менее, процесс осложняется, особенно на таких больших расстояниях. С диммером (изменением мощности) света, это труднее различить эти пробелы или линии в спектре.
Яркость квазара обеспечит более четкое измерение межгалактической среды. определив яркость квазара можно ответить на вопрос: «Сколько весит Вселенная». А также, так как металлы в межгалактической среде были произведены путем слияния ядр звезд измерения этих элементов могут помочь исследователям узнать о процессах звездообразования во Вселенной.