¿Por qué la luz, que viaja más rápido que el sonido, no produce un estampido sónico?

Un estampido sónico se produce cuando un objeto macroscópico (digamos, más o menos: más grande que el espacio promedio entre las moléculas de aire,$\approx 3\,\mathrm{nm}$) se mueve tan rápido que el aire no tiene tiempo de "quitarse de su camino" de la manera habitual (respondiendo linealmente ¹ a una acumulación de presión, lo que crea una onda de sonido normal que se dispersa con bastante rapidez, más o menos uniforme en todas las direcciones) . En cambio, el aire tiene que crear una fuerte onda de choque , que es bidimensional y, por lo tanto, se puede escuchar mucho más lejos.

Ahora, con partículas pequeñas como la luz, este problema no surge, porque el aire no necesita salir del camino en primer lugar: al menos los fotones visibles no interactúan mucho con el aire, por lo que simplemente “pasar volando”. Cuando hay una interacción, significa que solo una molécula de aire es golpeada por un fotón . Esto le da un ligero “golpe” pero nada dramático. Y en particular, no sucede simultáneamente a lo largo de todo un frente, por lo que no hay razón para que se acumule una onda de choque.

¹ _{Otra forma de ver esto es si considera el gas a nivel molecular. Las moléculas tienen mucho movimiento térmico: la velocidad promedio es del mismo orden de magnitud que la velocidad del sonido. En este nivel microscópico, la propagación del sonido es básicamente una "cadena de mensajeros": una molécula es golpeada para ser un poco más rápida o más lenta de lo habitual. Esta información de impulso adicional se transmite no tanto por el movimiento de la onda de sonido, sino por los movimientos térmicos aleatorios, de una manera "suave". Por lo tanto, un objeto que se mueve lentamente o un objeto lo suficientemente pequeño (como una partícula alfa) solo genera ondas sonoras normales. Pero no funciona así si golpeas el aire en un frente completo más rápido .que la velocidad del sonido: en este caso, el impulso de avance que impartes es mayor que el movimiento térmico habitual y obtienes un comportamiento supersónico.}

Sé que cuando un objeto supera la velocidad del sonido [340 m/s] se produce un estampido sónico. La luz que viaja a 300000000 m/s [mucho más que la velocidad del sonido] no produce un estampido sónico, ¿verdad? ¿Por qué?

La respuesta ya está en tu propia pregunta: solo porque la luz no es un objeto .

El sonido " es una vibración que se propaga como una onda mecánica típicamente audible de presión y desplazamiento, a través de un medio como el aire o el agua " y debe propagarse comprimiendo partículas (átomos/moléculas). El estampido sónico es, como bien dices, el sonido producido por la compresión de las moléculas de aire por parte de un objeto , y que también se propaga por el aire. En esta animación se representa un:

.. fuente de sonido que viaja a 1,4 veces la velocidad del sonido (Mach 1,4). Dado que la fuente se mueve más rápido que las ondas de sonido que crea, lidera el frente de onda que avanza. La fuente de sonido pasará por un observador estacionario antes de que el observador escuche el sonido que crea.

la onda de choque en el borde

La luz es una onda electromagnética que se propaga también en el vacío modificando campos eléctricos y magnéticos. Estos campos no interactúan con el aire lo suficiente como para comprimirlos y producir sonidos.

Hay muchas diferencias entre las ondas de luz y sonido que se notan en otras respuestas, como la imposibilidad de que cualquier objeto con una masa en reposo distinta de cero alcance la velocidad de la luz.

Sin embargo, hay una semejanza que no creo que se haya notado todavía y es la siguiente: ¡ una onda de sonido que viaja a la velocidad del sonido no produce un estampido sónico !

Esto se debe a que la onda de sonido, como una onda de luz en el campo EM, es simplemente la propagación de una cantidad fija de energía. No hay nada que "agrege" a la onda de sonido o de luz a medida que viaja.

Por el contrario, un avión que vuela a la velocidad del sonido agrega constantemente energía a la onda que se propaga a través de mecanismos de arrastre. Esa energía no puede propagarse más rápido que el objeto que agrega energía al campo acústico, con el resultado de que se acumula una gran cantidad de energía acústica en un frente de onda estrecho. El objeto se mantiene al día con el frente de onda, agregando energía continuamente. Si el frente de onda puede superar al objeto, la energía se distribuye en un gran volumen.

Exactamente lo mismo sucede en el fenómeno de la radiación Cherenkov donde una partícula se suma constantemente al campo electromagnético pero la presencia de materia dieléctrica significa que la perturbación se propaga a menos de$c$, por lo que tenemos la misma situación de un cuerpo que "mantiene" el frente de onda y aumenta continuamente la energía de este último. De hecho, la radiación de Cherenkov es un análogo electromagnético del estampido sónico.

Al comparar las ondas de luz y las ondas de sonido de esta manera, debemos tener en cuenta lo que está ondeando .

• En una onda de sonido, la posición de las moléculas de aire se agita.
• En una onda de luz, la fuerza y ​​dirección del campo electromagnético está ondeando. Esto no ejerce ninguna fuerza sobre las moléculas de aire (en realidad lo hace, pero esa fuerza es tan pequeña y las frecuencias son tan rápidas que bien podría no haber fuerza).

Para que ocurra un estampido sónico, un objeto debe moverse a través del aire más rápido de lo que puede propagarse la onda de la posición de la molécula de aire, por lo que el borde frontal de la onda se acumula detrás del objeto, moviéndose a la velocidad del sonido, con una velocidad muy alta. Alta intensidad.

Aunque la luz se mueve un millón de veces más rápido que el sonido, su impacto en el movimiento de las moléculas de aire es prácticamente nulo.