光子為什麼沒有質量卻有動量?

更新 發佈閱讀 3 分鐘

這是非常關鍵的問題,因為它直接打破我們從小學到的「牛頓直覺」:

❌ 動量 = 質量 × 速度(p = mv)

如果照這公式:

光子 m=0

→ p=0?

但實驗明明看到:

  • 太陽帆會被光推動
  • 雷射可以推動微粒(光鑷)
  • 康普頓散射有動量守恆

👉 光子確實有動量

所以問題在:

🎯 牛頓公式不適用(必須用相對論)



一句話先講答案

👉 光子的動量來自「能量」,不是「質量」

真正公式是:

raw-image

而不是 mv



一、牛頓力學為什麼失效?

你熟悉的是:

p=mv

這只在:

👉 低速、非相對論(v ≪ c)

才成立

但光子:

v = c(光速)

已經是極端相對論世界

所以必須改用:

相對論動量公式



二、正確的相對論公式

愛因斯坦給出:

raw-image

所以:

raw-image


三、再代入光子的能量

光子能量:

E=hf

所以:

p=hf/c

這是最常用形式。


重要結論

頻率 ↑~ 能量 ↑~ 動量 ↑

藍光 > 紅光

X光最大

👉 高頻光「推力更強」



四、直覺物理解釋(為什麼沒質量還能推東西)

關鍵觀念:

👉 動量不是質量專屬

真正本質是:

「能量流動就攜帶動量」


例子 1:電磁場壓力(輻射壓)

光照到鏡子:

  • 光子反射 → 動量反向
  • 動量改變 → 鏡子受力

力:

raw-image

(P 是功率)

這就是:

👉 太陽帆原理


例子 2:光鑷(optical tweezers)

雷射束:

  • 折射/散射改變光子動量
  • 微粒被拉動

2018 諾貝爾獎技術。



五、更深一層(量子場論觀點)

從 QFT 看:

  • 光子不是「小球」
  • 是「電磁場的振動模式」

而:

場有:

  • 能量密度
  • 動量密度(Poynting vector)

所以:

👉 場本身就能帶動量

即使沒有質量。



六、用生活比喻幫你破除直覺

想像:

水波

  • 沒質量的水波
  • 卻能推動漂浮物

或:

聲波

  • 沒質量
  • 卻能震動窗戶

👉 波動本來就能傳遞動量

光子只是「量子化的波」。



七、關鍵對照表

raw-image


🎯 一句話最終總結

「牛頓:動量來自質量;相對論:動量來自能量」

光子屬於後者。所以:

光子雖然沒有質量,但只要有能量,就一定有動量。

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sirius數字沙龍
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