هل للفوتون كتلة؟

يُعد الفوتون أحد الجسيمات الأساسية في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، ويمثل الكمّ الأساسي للإشعاع الكهرومغناطيسي، مثل الضوء المرئي والأشعة السينية وأشعة غاما وغيرها.
وتثار أحيانًا تساؤلات حول ما إذا كان للفوتون كتلة، نظرًا لتصرفه "كجسيم" في بعض الظواهر. لكن هذه الفكرة تستحق توضيحًا علميًا دقيقًا لتجنب الخلط بين المفاهيم الفيزيائية الأساسية.

✦ 1. الجُسيم لا يعني بالضرورة وجود كتلة

في الفيزياء، لا يعني مصطلح "جسيم" (Particle) أن الكيان يمتلك كتلة بالضرورة. بل يُستخدم هذا المصطلح للإشارة إلى كيان كمومي يمتلك:

• كمية حركة (Momentum)
  
  

• طاقة (Energy)
  
  

• خصائص كمومية أخرى (كالسبين والشحنة)
  
  

بالتالي، الفوتون يُصنف كجسيم لأنه يمتلك طاقة وكمية حركة، على الرغم من أنه عديم الكتلة الساكنة.

✦ 2. الفوتون لا يمتلك كتلة ساكنة (Rest Mass)

المقصود بالكتلة في معظم السياقات هو الكتلة الساكنة، أي الكتلة التي يُفترض أن يمتلكها الجسيم عندما يكون ساكنًا.
لكن الفوتون لا يمكن أن يوجد في حالة سكون، بل يتحرك دومًا بسرعة الضوء في الفراغ c.
لذلك، لا يمكن الحديث عن "كتلة ساكنة" للفوتون لأنه لا يمكن أن يكون ساكنًا أصلًا.

✦ 3. الطاقة لا تعني دائمًا وجود كتلة

أحد المفاهيم الشائعة هو أن أي طاقة لا بد أن ترتبط بكتلة وفق العلاقة الشهيرة:

E = mc^2

لكن هذه المعادلة هي حالة خاصة من معادلات النسبية الخاصة، تنطبق فقط على الجسيمات التي لها كتلة ساكنة.
أما في حالة الفوتون، فالعلاقة الصحيحة لطاقة الجسيم عديم الكتلة هي:

E=pc

حيث P كمية الحركة و، c سرعة الضوء.
وهذه العلاقة تنسجم مع واقع أن الفوتون يمتلك طاقة، دون أن تكون له كتلة.

✦ 4. طاقة الفوتون مرتبطة بتردده

تُحسب طاقة الفوتون كذلك باستخدام العلاقة التي وضعها ماكس بلانك:

E=hν

حيث:

• E: طاقة الفوتون
  
  

• h: ثابت بلانك
  
  

• ν: تردد الموجة الكهرومغناطيسية
  
  

مرة أخرى، لا تظهر الكتلة في هذه المعادلة، مما يؤكد أن الفوتون يحصل على طاقته من تردده، وليس من كتلة.

✦ 5. الفوتون لا يتفاعل مع حقل هيجز

في النموذج القياسي، تحصل الجسيمات على كتلها من خلال تفاعلها مع حقل هيجز.
بما أن الفوتون لا يتفاعل مع هذا الحقل، فهو لا يكتسب كتلة.
هذا ما يفسّر لماذا يمتلك الإلكترون كتلة، بينما الفوتون لا.

✦ 6. هل من الممكن أن يمتلك الفوتون كتلة صغيرة جدًا؟

من الناحية التجريبية، تم وضع حدود عُليا للكتلة المحتملة للفوتون عبر تجارب دقيقة.
لكن حتى الآن، لا توجد أي قياسات أو مشاهدات تُثبت أن للفوتون كتلة، والافتراض العلمي المقبول هو أن كتلته تساوي صفرًا تمامًا.

وجود أي كتلة للفوتون – مهما كانت صغيرة – سيتطلب تعديلًا في نظرية النسبية الخاصة، ويغير عددًا كبيرًا من القوانين الفيزيائية المعتمدة في التوصيف الحالي للإشعاع الكهرومغناطيسي.

✦ الخلاصة

• الفوتون جسيم عديم الكتلة، لكنه يمتلك طاقة وكمية حركة.
  
  

• لا تُستخدم العلاقة E = mc^2 لوصف طاقته، بل يُستخدم E=pc أو E=hν.
  
  

• الفوتون لا يتفاعل مع حقل هيجز، ولذلك لا يمتلك كتلة.
  
  

• لا توجد تجارب تُشير إلى وجود كتلة للفوتون، وكل الدلائل النظرية والتجريبية تؤكد أنه بلا كتلة.
  
  

✦ مراجع علمية موثوقة:

1. Griffiths, David J. Introduction to Elementary Particles. Wiley, 2008.
   
   

2. Peskin, Michael E., and Daniel V. Schroeder. An Introduction to Quantum Field Theory. Addison-Wesley, 1995.
   
   

3. CERN – Photon Properties:
   https://home.cern/science/physics/photon
   
   

4. NASA – Ask an Astrophysicist (Photon Mass):
   https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/ask_astro/feb14.html
   
   

5. Okun, L. B. “The Concept of Mass.” Physics Today, June 1989.