¿Puede algo sin masa ejercer una fuerza?

Sí, los fotones pueden. Consulte https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pression (y los fotones ciertamente no tienen masa).

PD De hecho, cualquier partícula sin masa tiene cantidad de movimiento(*) y si se dispersa sobre un cuerpo, cambia su propia cantidad de movimiento y la del cuerpo, que es lo que hace una fuerza.

(*)$p = \hbar k = E/c$dónde$E$es su energía y$c$es la velocidad de la luz

La segunda ley de movimiento de Newton da la fuerza impresa como$F=dp/dt$, por lo que una teoría física para una partícula sin masa que ejerce una fuerza requiere que la partícula tenga un momento,$p$.

Primero discutiremos la masa, el impulso, la ley de la fuerza y ​​la relatividad especial.

En la física newtoniana, la masa se identifica de dos maneras: por su inercia o como la cantidad de materia. La medida ordinaria es por comparación, con una fuerza conocida, o una balanza. Los primeros experimentos, 1905-06 con partículas cargadas aceleradas a través de un voltaje controlado encontraron que la masa de inercia variaba con el cambio en la energía cinética adquirida, lo que confirma las predicciones anteriores de Lorentz, 1904 y Einstein, 1905 .

El término masa en reposo , denotado$m_0$, entró en el léxico de la física, junto con la masa longitudinal y transversal ; estos dos términos adicionales eran necesarios porque las medidas varían según el lugar donde te encuentres. Para algunos propósitos, estos siguen siendo útiles, pero resulta que la masa en reposo es una invariante relativista, que permanece sin cambios bajo un impulso de Lorentz. Entonces, en la terminología moderna, masa significa masa en reposo , y se denota por$m$, o para los antiguos, de vez en cuando$m_0$.

El factor de Lorentz

Ahora discutiremos la luz, y cómo lleva el impulso, y el concepto de no tener masa. Para ver el resumen de preguntas frecuentes sobre física, consulte aquí .

La luz, como señaló por primera vez Maxwell, viaja con la misma velocidad en el vacío, independientemente del marco de referencia inercial del observador; para el cálculo, consulte Derivación de la velocidad de propagación de un cambio en el campo electromagnético a partir de las ecuaciones de Maxwell . Para la historia, ver aquí .

La relación entre la energía y el momento de la luz se puede encontrar a partir del vector de Poynting , derivado de las ecuaciones de campo en el vacío. el resultado es que$p=E/c$, que se deriva de la presión de radiación .

La ecuación relativista para la energía total incluye la cantidad de movimiento y es$E^2=(pc)^2+(mc^2)^2$; cuando$p=0$esto simplifica a lo icónico$E=mc^2$. Para el caso con cantidad de movimiento, pero sin masa en reposo, obtenemos$E=pc$, que proporciona la expresión relativista para el momento de la luz:$p=E/c$, lo cual es consistente con las ecuaciones de Maxwell.

Entonces, para una teoría relativista autoconsistente, si comenzamos con las ecuaciones de Maxwell, terminamos con una luz que se mueve libremente y tiene impulso, pero no masa. Si la luz queda atrapada en una caja estacionaria, contribuirá al peso de la caja en proporción a la energía de la luz,$m_L=E_L/c^2$a la masa de la caja sin la luz atrapada.

En este punto, hemos mostrado el mapa de ruta para (a) la ley de fuerza relativista,$F=dp/dt$, y (b) que la luz tiene impulso,$p=E/c$, y (c) que este impulso implica que la luz no tiene masa. Así que ahora presentamos el fotón , una partícula de luz.

Históricamente, Planck introdujo la hipótesis de que la energía de la luz puede cuantificarse,$E=hf$, donde la energía de cada cuanto está determinada por su frecuencia. Einstein aplicó este concepto al efecto fotoeléctrico, y de Broglie, utilizando la Relatividad Especial de Einstein más la relación de Planck, propuso una relación complementaria para la longitud de onda de una masa con el momento,$p=h/\lambda$. Esta expresión es equivalente a la relación de Planck cuando$p=E/c$se inserta en el lado izquierdo, porque$\lambda f=c$.

Planck y de Broglie, juntos, sientan las bases de la mecánica ondulatoria; el término "fotón" para este cuanto sin masa, o partícula de luz, apareció por primera vez en la literatura en 1926 .

Entonces, en conclusión, sí, algo sin masa, el fotón, puede aplicar una fuerza; esto se hace a través de su impulso.

La verificación experimental debe hacerse con cuidado, ya que se puede aplicar una fuerza por absorción o reflexión. En el caso de absorción, el cambio de cantidad de movimiento es$|p|$, mientras que para la reflexión se duplica, ya que el impulso actúa tanto de ida como de ida.

Para la absorción, la demostración se puede hacer con el molino ligero de Crooke , a menudo denominado radiómetro; esto responde claramente a la luz, pero el análisis es complejo y no muestra directamente la presión debida a la luz.

La detección directa de la presión de la luz debido a la reflexión requiere un fino espejo de equilibrio de torsión en el vacío, realizado con éxito por primera vez en 1901; hoy se puede realizar en un laboratorio de física avanzada de pregrado.

Según la relación

La fuerza se define como el fenómeno que crea aceleración en un cuerpo con masa. La masa es para el cuerpo sobre el que actúa y no para el cuerpo que actúa. Teóricamente es posible que la luz ejerza fuerza ya que tiene energía y cantidad de movimiento.

Espero que tu duda sea clara