0412. La luce ha massa?

luceGentilissimo esperto, ormai da mesi combatto con un mio collega su una questione che pare irrisolvibile. A parer mio la luce è completamente priva di massa, composta da fotoni, anche essi privi di massa, e che per questa caratteristica raggiunge appunto la velocità della luce. Lui risponde dicendo che la luce porta energia , E=mc2 e quindi c'è una massa che va persa dalla luce e produce energia.
In seguito a numerose ricerche abbiamo appreso che la luce ha duplice natura, particellare e ondulatoria ma oltre al non credere possibile che la luce abbia e non abbia massa, questa nozione non ha risolto il nostro diverbio per via dell'ambiguità del termine particella. Le sarei molto grato se rispondesse a questo mail cercando di ricordare che io e il mio collega non siamo fisici, e che sarebbe utile se confutasse le nostre ipotesi. Abbiamo anche letto che l'energia della luce è portata da collisioni dei fotoni con altre particelle ma questo implicherebbe una loro massa, ed è indicato ovunque sul web che questi non ne hanno. Ferdinando D'Avino.

 

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Cerchiamo di fare un pò di ordine tra le idee e i dubbi espressi dal nostro webnauta. La fisica delle particelle non ha alcuna difficoltà a descrivere particelle massive e particelle prive di massa. Il fotone icona_glossario appartiene a questa ultima categoria. Per una particella qualunque, la famosa relazione di Einstein deve scriversi con un termine aggiuntivo, ossia E2 = m2 c4 + c2 p2, dove il simbolo p rappresenta l'impulso icona_glossario della particella ed è una grandezza proporzionale alla velocità di quest'ultima. Ora, nel caso di particelle massive, si può pensare di studiarla a riposo, quindi p=0, e la relazione per l'energia si riduce a E=mc2. Nel caso di particelle prive di massa, dobbiamo porre m=0 nella precedente equazione ed ottenere pertanto E = c p.

Per i fotoni p non può mai essere nullo, altrimenti le onde elettromagnetiche non si potrebbero propagare nel vuoto (cosa che invece osserviamo). Sappiamo inoltre che i fotoni su muovono alla velocità della luce. Ne segue che un fotone trasporta energia pur non avendo una massa. Cosa poi sia realmente un fotone è molto complicato; il dualismo onda-particella a cui si fa riferimento nella domanda è sostanzialmente dovuto al fatto che, in determinare circostanze, il fotone può essere descritto al pari di una particella (esperimenti di urto) o di un'onda (esperimenti di interferenza); dobbiamo immaginarcelo cosi, un pò onda e un pò particella, ma sempre senza massa .

 Se vuoi approfondire, il numero 12 della nostra rivista Asimmetrie, è stato dedicato ai fotoni.

Davide Meloni, fisico


realizzata marzo 2014

revisione G. Chiarelli marzo 2020

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