האם אור הוא חומר?
האם אור הוא חומר היא שאלה קלאסית בפיזיקה, והתשובה תלויה באופן שבו אנו מגדירים "חומר". בפיזיקה, "חומר" בדרך כלל מתאר ישות שתופסת מקום מסוים ויש לה מסה. עם זאת, אור, כגל אלקטרומגנטי, יש לו תכונות ייחודיות שמאפיינות אותו בצורה שונה מהחומר במובן המסורתי. הנה דיון מפורט בטבע של האור:
דו-חייבות גל-חלקיק של אור
נשאיות: אור מפגין נשאיות ויכולת להתאבכות ולהפרעה. התופעות הללו ניתנות להסבר על ידי תורת הגלים.
תורת האלקטרומגנטיות של מקסוול ציפתה לקיומם של גלי אלקטרומגנטיים, ואור נחשב לגל אלקטרומגנטי.
תכונות חלקיקיות: בניסוי אפקט הפוטואלקטרי, איינשטיין הציע את רעיון הקוונטום של אור (פוטון), המסביר את תופעת הכמותיות של אנרגיית האור. פוטונים מפגינים תכונות חלקיקים, כגון אנרגיה ומומנטום בדידים.
תכונות הפוטונים
מסה נמנעת אפס: פוטונים הם חלקיקים שאין להם מסה נמנעת, אבל יש להם מומנטום ואנרגיה. האנרגיה של פוטון היא פרופורציונלית לתדירות שלו (E=hν, כאשר h הוא קבוע פלאנק ו-ν היא התדירות).
מהירות: מהירות הפוטונים בריק היא מהירות האור c, בערך 299,792,458 מטר לשנייה.
האינטראקציה בין אור וחומר
בליעה ושחרור: חומר יכול לבלוע פוטונים ולהשיג אותם מחדש, וה процסים הללו כוללים העברת אנרגיה.
האינטראקציה בין פוטונים לחומר עוקפת את חוקי המכאניקה הקוונטית.
הפשטה של אור: כאשר אור מתפשט בסביבה, מהירותו תואמת, וייתכנו תופעות כמו שבירה, השתקפות ועוד.
אור כאירדיישיה אלקטרומגנטית
גל אלקטרומגנטי: אור הוא גל אלקטרומגנטי המורכב מאזורים חשמליים ומגנטיים מתנדנדים אחד לשני בניצב לכיוון ההפשטה.
אורך גל ותדירות: אורך הגל והתדירות של האור קובעים את צבעו ואנרגייתו. אור נראה הוא רק חלק קטן מהספקטרום האלקטרומגנטי.
הבדלים בין אור לחומר
תפוס מקום: חומר במובן המסורתי תופס מקום מסוים ויש לו מסה. למרות שיש לפוטונים אנרגיה ומומנטום, אין להם מסה נמנעת ולא תופסים נפח קבוע.
מסה: לחומר יש מסה, בעוד שלפוטונים אין מסה נמנעת. עם זאת, ניתן להמיר את אנרגיית הפוטונים במסה של חומר (כמו באמצעות יצירה של זוגות חלקיקים).
מסקנות
אור אינו חומר במובן המסורתי ולא אנרגיה טהורה. יש לו דו-חייבות גל-חלקיק והוא תופעה אלקטרומגנטית מיוחדת. למרות שהפוטונים הם יחידות אנרגיה מוכוונות, הם שונים ממה שאנו מכנים בדרך כלל חלקיקים של חומר (כמו אלקטרונים, פרוטונים וכדומה). לכן, מנקודת מבט פיזיקלית, אור אינו חומר במובן המסורתי, אך זהו קיום אמיתי עם אנרגיה, מומנטום והיכולת להתאזרך עם חומרים אחרים.
בפיזיקה המודרנית, אור מתואר כחלק מהשדה הקוונטי של פוטונים שמתנהגים לפעמים כחלקיקים ולפעמים כגליים. הדו-חייבות הזו משקפת את העקרונות הבסיסיים של המכאניקה הקוונטית.
