빛에는 질량이 있는건가요?없는건가요?

안녕하세요 :) 뚱이님

빛의 질량에 대해 문의하셨네요.

정리해드릴께요. 편의상 말을 짧게 하는 것 이해바랍니다.

빛이 "입자"라고 하지만, 보통의 정지질량을 가지는 입자와 전혀 다르다. 빛이 정지질량을 가진다면 그것은 또다른 보통의 입자와 다를바 없을 것이다. 그리고 빛의 정지질량을 측정하려해도 빛을 정지시킬 수 없다. 빛은 발생하는 순간 광속으로 달린다.

만약, 빛이 정지질량을 가진다고 하면 빛과 물질의 상호작용에서 에너지보존법칙을 위반하게된다. 이와같은 추론에 의해 빛의 질량이 0 이라고 하는 것이다.

참 어려운 내용이지만 도움이 되셨길 바랍니다.

우리의 생활에는 빛이 항상 존재하는데 이 빛은 결국 들여다보면 전자입니다. 우리 생활속에서 인지하지도 못할 정도로 정말 가벼운 질량을 갖고 있습니다.

빛은 파동이자 입자인데 파동은 빛의 직진성에 의해 밝혀낼 수 있었다면 입자인 것은 이 세상에 질량이 없는 물질은 없기에 빛은 질량이 있다고 할 수 있습니다.

꾸준히 발전해온 현대 과학이지만 아직까지도 빛의 질량을 측정하기에는 역부족합니다.
국제 표준상 빛은 질량이 0으로 규정되어있습니다. 단위를 넘나드는 아주 작은 값을 가지고 있을지는 모르겠지만요.
그런데 놀라운건 질량이 0임에도 불구하고 빛의 운동량은 인정된다는 겁니다.
고전역학의 측면에서 보면 이건 불합리, 그 자체입니다.
Ek=½mv²
Ep=9.8mh
E=mc²
차례대로 운동에너지, 위치에너지, 물질-에너지 등가원리 공식입니다.
m이 질량인데, 저 공식들에 빛을 대입해보세요. 질량이 0이니까 전부 운동량이 0이잖아요?
그런데 운동량을 가질 수 있다? 불합리한 생각일 수 밖에요.

하지만 가능하다는거죠.
빛은 1inch²당 1/200,000,000kg만큼 우리를 짓누르고 있습니다.
억 단위의 매우 작은 값이지만, 서울시로 확장해보면 화창한날 서울시는 140kg만큼 무게가 더 나간다는 결과가 도출됩니다.
그런데 이 값도 지구 대기와 자기에 여과된거라 우주공간으로 나가면 영향은 더 커집니다.
지구에서 화성으로 우주선을 보낼 때 1,000km의 오차를 낼 수 있는 값입니다.

이를 응용하면 넓은 돛을 사용해 바람이 불지 않아도 항해가 가능한 배를 떠올릴 수 있는데
솔라 세일(solar sail)이라고 해서 우주공간에서 실제 활용 가능한 분야입니다.

상대성 이론에 따를면 빛의 질량은 0이 맞습니다

하지만 빛이란 건 파동과 입자의 특성을 일부 가지고 있는 것이지 모두 가지고 있는 것은 아니라고 보시는 편이 좋을것 같습니다

하지만 비교적 최근에 생겨난 이론인 양자역학에서는 가설이지만 빛은 질량을 가지고있다 라고 보기도 한답니다

마지막으로 이해를 돕기 위해 상대성이론에서 빛을 바라보는 시각에 대한 수식을 알려드릴게요

lim m=0​

v→cm=0​

위의 수식은 빛의 속도에 가까워 질 수 록 그 질량이 0에 가까워진다라는 개념을 담고있습니다

이상으로 이해하시는데 도움되셨으면 좋겠네요

상대성이론에 의하면 빛의 질량은 0이라고 말할 수 있습니다.

하지만 그렇게 되면 광전효과를 설명할 수가 없어지기에 나온 게 양자역학입니다.

함수의 극한에 의해서 빛의 속도에 가까워지면 빛의 질량도 0에 가까워지는개념입니다. (완전한 0이 아닙니다)

빛은 단위로 나타낼 수 없는 수준으로 미세한 질량을 갖고 있을 뿐. 완전한 0은 아니라는 소리입니다.

과학자들도 모른다. 과학자들은 현상을 잘 설명할 수 있는 이론을 구축하고 수많은 실험을 통해 이론의 정당성을 확보하는 등의 합리적 과정을 거쳐 법칙으로 인정할 뿐이다. 즉 과학적 이론이나 법칙을 믿는 과학자는 없다. 단지, 현재의 상황에서 가장 합리적인 가설이라고 받아들일 뿐이다.

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아인슈타인 공식 E=mc^2 을 아무때나 사용하면 안된다.

1.이 공식은 "정지질량을 가진" 입자에 관한 에너지 공식이다.

2.이 공식은 입자의 질량이 에너지로 전환될 수 있음을 나타낸다.

3.이 공식의 에너지 E에는 입자의 운동에너지, 위치에너지 및 정지질량에너지를 모두 포함하고 있다.

4.이 공식의 m은 운동질량이라고 하며, 정지질량 m₀와는 다음의 관계가 있다. m=m₀/✓(1-v²/c²)

(v입자의 속력, c빛의 속력)

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빛이 "입자"라고 하지만, 보통의 정지질량을 가지는 입자와 전혀 다르다. 빛이 정지질량을 가진다면 그것은 또다른 보통의 입자와 다를바 없을 것이다. 그리고 빛의 정지질량을 측정하려해도 빛을 정지시킬 수 없다. 빛은 발생하는 순간 광속으로 달린다.

만약, 빛이 정지질량을 가진다고 하면 빛과 물질의 상호작용에서 에너지보존법칙을 위반하게된다. 이와같은 추론에 의해 빛의 질량이 0 이라고 하는 것이다.

빛이 입자인 동시에 파장이라고 하는 것도 사실 명확히 알 수 없습니다.. 현대의 몇몆 실험이나 이론에서 빛이 파장과 빛의 성질을 다 가진다고 해서 그렇게 말하지만..이건 사실 모순입니다. 그 이전 근대에는 빛을 에테르설, 끈이론 등..아주 다양한 철학자와 과학자가 설명을 하려고 했지요. 최근 상대성이론과 양자역학이 대두하면서 빛의 정지질량이 '0'이어야 설명이 가능한 현상들과 원칙들이 발견되면서 그렇게 규정한 것이라는 거죠! 앞으로 어떤 혁명적이고 과학적 발견이 나와서 이 이론도 뒤집힐 수 있다는 겁니다. 유력한게 중력인데..우리 세계를 설명하는 4가지 힘 즉 강력, 약력, 전자기력, 중력 이라고 하죠..이 힘들을 하나로 묶는 이론이 없다는 즉 전체적인 이론에 구멍이 있다는 것이죠! 그걸 메우는 완벽한 발견과 설명이 나올 때 모든 게 밝혀지겠지요!