Har fotonet masse?

Dette spørsmålet er egentlig todelt:

  1. Har fotonet ein "kvilemasse", og
  2. Gir det fornuft å sei at fotonet har ein "relativistisk" masse?

Det første spørsmålet kjem vi tilbake til nedanfor. Det andre spørsmålet kan formulerast slik:

Energi tilsvarer masse, og sidan fotonet har energi, så må det vel ha masse?

Einsteins likning seier at masse og energi er essensielt det same: E = mc2.  Men problemet er at vi bruker to ulike definisjonar for masse. Dei fleste fysikarar vil sei at fotonet er masselaust, men det er mulig å seia at det har ein "relativistisk masse" som då er avhengig av frekvensen (eller bølgelengden). 

"Relativistisk masse" kan definerast som forholdet mellom totalenergien og kvadratet av lysfarten: 

                m = E / c2.                                    (1)
Denne definisjonen gir alle objekt ein hastighetsavhengig masse.

Den moderne definisjonen er gitt ved: 

                m = E0 / c2,                                   (2)
der E0 er gjenstandens totalenergi i kvilesystemet. Denne definisjonen gir ein og bare ein masse som er uavhengig av farten (invariant) Denne kallast av og til for "kvilemasse" eller "invariant masse," men dette er bare for å understrekja at masse er masse.

Bruker vi denne definisjonen vert likninga E = m c2 bare korrekt i kvilesystemet. Vi kan visa (sjå utledning) at energien til ein gjenstand generelt kan uttrykkjast  ved massen og bevegelsesmengda som:   

      

 

eller som                E2 = m2 c4   +  p2 c2,  

der v er farten til gjenstanden og p er bevegelsesmengda. Her ser vi at for ein partikkel uten masse får vi rett og slett at E = pc, mens for ein partikkel med masse får vi i kvilesystemet (dvs. når p = 0) tilbake den velkjente formelen E = mc2. Den "relativistiske massen" til ein gjenstand er egentlig det same som energien til gjenstanden, og det er ingen grunn til å bruka noko anna ord enn "energi", mens massen til ein gjenstand er ein fundamental (og invariant) egenskap som vi treng eit ord for.

Så tilbake til spørsmål 1: Har fotonet ein kvilemasse?

Standard teori tilseier at fotonet er masselaust (etter den siste definisjonen), sjølv om det fins teoriar som til seier at fotonet hadde ein masse i ein tidlig fase av universet! I praksis kan ein neppe bevisa eksperimentelt at fotonet verkeleg er masselaust. Det beste ein kan gjera er å finna ei øvre grense for fotonmassen. I 1998, målte ein ei øvre grense på 7 x 10-17 eV elektronvolt som tilsvarer 0.000013 gonger elektronmassen.