Basiswissen

Hat Licht Masse? Je nachdem, was man unter Masse verstehen will, kann man die Frage mit ja oder auch mit nein beantworten. Beide Sichtweisen sind hier kurz mit Argumenten vorgestellt. Licht steht hier stellvertretend für auch beliebige andere Formen elektromagnetischer Strahlung. Man könnte statt von Lichtmasse auch von Photonenmasse sprechen.

Pro: Licht hat Masse

Licht hat Masse: Ablenkung an Sternen

Masse zieht sich gegenseitig an. Wenn also Licht von massebehafteten Körpern wie Sternen angezogen wird, kann dies als Indizi dafür gedeutet werden, dass Licht Masse hat. Tatsächlich wird das Licht von fernen beim nahen passieren der Sonne messbar stark zur Sonne hin abgelenkt. Man kann Licht also mit anderer Masse anziehen. Man spricht im Zusammenhang mit diesem Phänomen auch von Gravitationslinsen. Der Effekt wird von manchen Autoren^[1] als Beleg dafür genommen, dass Licht Masse hat. Der Effekt ist aber aus zwei Gründen noch kein schlüssiger Beweis: er zeigt, dass die Sonne Licht ablenkt. Die gegenseitige Massenanziehung ist aber nicht die einzige Erlärungsmöglichkeit. Nach Einsteins Relativitätstheorie krümmt die Sonne den Raum um sich und in diesem gekrümmten Raum nimmt der Lichtstrahl den kürzesten Weg, ist also weiterhin eine Gerade. Dennoch: Albert Einstein selbst sieht beide Effekte zu je 50 % an dem Phänomen beteiligt, was für eine Masse von Licht spräche.^[4]. Siehe auch gekrümmter Raum ↗

Licht hat Masse: E=mc²

Nach Einsteins Formel E=mc² sind Masse und Energie ineinander umwandelbar. Sie sind nur unterschiedliche Erscheinungsformen ein und desselben Prinzips. Demnach kann man theoretisch auch die Energie von Licht in Masse umwandeln. Damit hätte Licht zumindest eine schlafende oder potentielle Art von Masse. Diese Masse nennt man auch relativistisch. Das Photon hat damit auf jeden Fall eine relativistische Masse. Das Konzept der relativistischen Masse gilt heute aber als veraltet, die moderne Physik versucht den Begriff zu vermeiden und betrachtet nur die Ruhemasse eines Körpers als seine eigentliche Masse. So argumentiert ist das Argument über E=mc² nicht zulässig^[2]. Siehe auch E=mc² ↗

Licht hat Masse: es hat Impuls und übt Druck aus

Tifft das Licht der Sonne auf Kometen, lenkt es dessen Schweif weg von der Sonne hin ab. Dieses Phänomen bezeichnet man als Lichtdruck. Licht kann also eine Kraft auf andere Körper ausüben. Das ist auch die Grundidee für einen Photonenantrieb. Der Druck kann auch als Impulsübertragung gedeutet werden. Ein Impuls ist aber keine ausschließliche Eigenschaft von Masse sodass der Schluss von einem Impuls auf eine Masse nicht zwingend ist^[2]. Mehr dazu unter Photonenimpuls ↗

Contra: Licht hat keine Masse

Licht hat keine Masse: es ist nicht träge

Nach Newtons zweitem Axiom F=m·a ist eine Masse m dadurch erkennbar, dass man zu ihrer Beschleunigung a eine Kraft F benötigt. Wenn die Kraft über einen längeren Weg wirkt, wird sie als Arbeit oder Energieverbrauch erkennbar. Geht Licht durch Glas ist es vergleichsweise langsam. 260 Tausend Kilometer pro Sekunde sind ein möglicher Wert. Tritt es vom Glas aus und in Luft ein, nimmt die Geschwindigeit sprunghaft auf rund 300 Tausend Kilometer pro Sekunde zu. Dabei könnte eine Kraftübertragung wirken (siehe oben unter Lichtdruck). Das Licht scheint diesen Übergang aber ohne Zeit zu vollziehen, scheint damit also nicht träge zu sein. Licht hätte demnach keine träge Masse. Siehe auch träge Masse ↗

Licht hat keine Masse: Relativitätstheorie

In Einsteins allgemein anerkannten Formeln zur Relativitätstheorie kann kein massebehafteter Körper Lichtgeschwindigkeit im Vakuum erreichen. Die dazu nötige Beschleunigungsarbeit wäre unendlich groß. Zudem würden in den Formeln Terme mit einer 0 im Nenner eines Bruches entstehen, was zumindest mathematisch nicht definiert ist. Der relevante Teil der Formeln ist der sogenannte Lorentzfaktor ↗

Licht hat keine Masse: es hat kein Gravitationsfeld

Wenn Licht Masse hätte, dann müsste es selbst ein Gravitationsfeld um sich aufbauen, also die Raumzeit krümmen. Ob das der Fall ist wird diskutiert, die Indizien sprechen aber dagegen. Lichtteilchen scheinen bei ihrer Entstehung (Emission) und Vernichtung (Absorption) die Raumzeit zu krümmen, erzeugen also damit eine Gravitationswirkung. Doch diese Wirkung ist eng auch an die emittierenden und absorbierenden Teilchen gebunden. Licht "unterwegs" scheint kein Gravitationsfeld um sich zu haben^[3]. Dieser Befund wäre ein Argument gegen die Existenz der Masse von Licht. Siehe auch Gravitation ↗

Fußnoten

[1] Anna Haberkorn: Hat Licht ein Gewicht. In: Wissenschaft im Dialog. Artikel vom 29. September 2021. Online: https://www.wissenschaft-im-dialog.de/projekte/wieso/artikel/beitrag/hat-licht-ein-gewicht/

[2] Philip E. Gibbs: Does light have matter? Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. FAQ Seiten Physik. 1997. Online: https://www.desy.de/user/projects/Physics/Relativity/SR/light_mass.html

[3] Dennis Rätzel, Martin Wilkens, Ralf Menzel: Gravitational properties of light - The emission of counter-propagating laser pulses from an atom. In: Phys. Rev. D 95, 084008 (2017). Archiv der Cornell University. Online: https://arxiv.org/abs/1607.01310

[4] Albert Einstein führt die gemessene Ablenkung von Licht in der Nähe von Sternen, etwa der Sonne, je zur Hälfte auf eine gravitative Wirkung im Sinne Newtons und auf die Krümmung des Raumes zurück. Einsteins Formel für die Ablenkung durch die Sonne war: „α = 1,7 Sekunden/Δ“ wobei das große Delta Δ für die Anzahl der Sonnenradien steht, die das Licht an der Sonne vorbeigeht. Einstein schreibt dann zu dieser Formel, "daß diese Ablenkung nach der Theorie zur Hälfte durch das (Newtonsche) Anziehungsfeld der Sonne, zur Hälfte durch die von der Sonner herrührende geometrische Modifikation („Krümmung“) des Raumes erzeugt wird." In: Albert Einstein: Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie. WTB Wisschenschaftliche Taschenbücher. Akademie Verlag. Berlin (DDR). 1979. Erstveröffentlichung im Jahr 1916. Dort der Anhang "3. Über die Bestätigung d. allgemeinen Relativitätstheorie". Seite 100. Siehe auch gekrümmter Raum ↗