Hạt photon thường được cho là không có khối lượng. Đây là cách nói của các nhà Vật lý khi muốn đề cập đến tính chất "hạt" của photon theo ngôn ngữ của thuyết tương đối hẹp. Khi xét trong một hệ cô lập (một "hạt") và đặt vào cho photon một vận tốc (là một vec-tơ), Newton định nghĩa một mô-men của hạt này (cũng là vec-tơ), là cách đơn giản để mô tả sự thay đổi vận tốc của hạt photon, hay khi photon tham gia vào một va chạm. Trong trường hợp này, mô-men phải tỉ lệ thuận với . Hằng số tỉ lệ thuận này được gọi là khối lượng m của hạt, do vậy:
Thuyết tương đối hẹp chỉ ra rằng chúng ta vẫn có thể định nghĩa được mô-men của một hạt như là một phần mở rộng của trường hợp Newton. Mặc dù và vẫn đang cùng chỉ về một hướng, nhưng chúng không còn tỉ lệ thuận với nhau nữa. Cách tốt nhất chúng ta có thể làm là liên kết chúng thông qua một tham số "Khối lượng tương đối tính" :
Khi hạt ở trạng thái nghỉ, khối lượng tương đối tính của hạt ở mức nhỏ nhất được gọi là "khối lượng nghỉ" . Khối lượng nghỉ luôn bằng nhau đối với cùng một loại hạt. Ví dụ tất cả proton đều có khối lượng nghỉ giống nhau, và tương tự với tất cả các hạt electron, hay neutron. Khối lượng nghỉ này có thể tra cứu trong bảng số liệu. Khi hạt được gia tốc lên vận tốc cao hơn, khối lượng tương đối tính của chúng cũng tăng và không có giới hạn.
Như vậy trong thuyết tương đối hẹp, chúng ta có thể định nghĩa khái niệm "Năng lượng" , với tính chất như trong cơ học cổ điển Newton. Khi hạt được gia tốc, chúng sẽ có mô-men (là chiều dài của vec-tơ ) và khối lượng tương đối tính , và năng lượng được cho bởi:
và: (1)
Có hai trường hợp thú vị đối với phương trình trên:
- Khi hạt ở trạng thái nghỉ, , và .
- Khi chúng ta giả sử khối lượng nghỉ bằng 0: .
Trong lý thuyết điện từ cổ điển, ánh sáng được chỉ ra là có năng lượng và mô-men , và những điều này xảy ra có liên quan đến . Cơ học lượng tử giới thiệu một ý tưởng rằng, ánh sáng có thể được xem như là một tập hợp của các hạt photon. Mặc dù các photon không thể đưa đến trạng thái nghỉ, và ý tưởng về khối lượng nghỉ không thực sự được áp dụng cho chúng, thì chúng ta vẫn có thể mang những "hạt" ánh sáng này vào trong phương trình (1) bằng cách giả sử chúng không có khối lượng nghỉ. Bằng cách đó, phương trình (1) mang lại biểu thức đúng cho ánh sáng: . Phương trình (1) bây giờ có thể được áp dụng cho các hạt của vật chất và "hạt" của ánh sáng.