¿Hasta dónde puede llegar la luz?

1. Un fotón viajará "a la velocidad de la luz" hasta que sea obstruido. A partir de la velocidad y el tiempo transcurrido, puede calcular la distancia que viajará la luz.

2. La luz láser consta de más de un fotón "en fase", que tiene exactamente la misma propiedad a este respecto que un fotón solitario.

Teóricamente, el fotón (o el haz de fotones, realmente no hay diferencia) puede recorrer una distancia infinita, viajando todo el tiempo a una velocidad$c$.

Como los fotones contienen energía,$E=h\nu$, entonces la conservación de energía requiere que el fotón solo se destruya a través de la interacción (por ejemplo, absorción en un átomo). No hay nada que pueda hacer que el fotón simplemente se detenga después de cierta distancia, solo se puede detener mediante una interacción de algún tipo.

Tenga en cuenta que parte de la luz que estamos viendo de galaxias muy distantes tiene miles de millones de años y viajó muchos yottametros para llegar aquí. Si no hubieran sido absorbidos por el telescopio espacial Hubble , por ejemplo, habrían continuado su camino a través de nuestra galaxia (hasta que algo más lo detuvo).

Tenga en cuenta que es correcto que un fotón puede viajar una distancia infinita en un tiempo infinito, pero no puede llegar a ningún punto deseado en el universo.

Esto es causado por la expansión del universo, lo que también conduce al hecho de que no podemos recibir información fuera del universo observable.

Una pequeña adición a las otras respuestas: si bien es cierto que la luz nunca se detendrá si no golpea nada, sin embargo, se desplazará hacia el rojo y, por lo tanto, se volverá menos energética debido a la expansión del universo. Por ejemplo, el fondo cósmico de microondas consiste en fotones que se emitieron cuando se formaron los átomos. Sin embargo, en aquel entonces la temperatura del universo era de aproximadamente$3000\,\rm K$(sobre el punto de fusión del hierro) mientras que hoy en día el fondo cósmico de microondas tiene una temperatura de apenas$2.7\,\rm K$. Entonces, los fotones que vemos en el CMB han viajado durante más de 13 mil millones de años sin desaparecer, sin embargo, han cambiado de frecuencia desde la luz visible hasta las microondas.

Siempre que no haya nada con lo que interactuar con el fotón (es decir, lo miremos en el vacío), el camino libre medio será infinito; es decir, seguirá viajando eternamente en una dirección dada. No hay nada que detenga el camino del fotón. Por lo tanto, irá arbitrariamente lejos. Ya sea que tenga un solo fotón o un láser, la respuesta no cambiará.

El hecho de que las líneas de fotones nunca terminarán se manifiesta en otro hecho relevante. Si miras la intensidad$I$de luz sobre una esfera de radio$r$lejos de una fuente puntual, la intensidad cae como$1/r^2$. Más específicamente, si$P$es el poder de esa fuente, entonces$I(r) = \frac{P}{4 \pi r^2}.$El$4 \pi r^2$en el denominador es solo el área de la superficie de la esfera.

Puede pensar que esto es relativamente trivial, pero de hecho, es un hecho bastante profundo. Sabemos por trabajos del siglo XX que hay partículas similares a los fotones pero con algunas diferencias. Uno de estos es el$Z$-bosón. A diferencia del fotón sin masa, el$Z$el bosón es masivo. Su masa es alrededor$91 GeV/c^2$, que es aproximadamente 97 veces más masivo que un protón. Si hiciste el análisis correspondiente para$Z$-bosones, encontrará que se desintegran, y la longitud de desintegración es del orden de$10^{-18}m$. A$Z$el bosón, en promedio, solo viajará esa distancia en el vacío. Esto conduce a una forma funcional diferente para la intensidad anterior, que tendrá una amortiguación exponencial. De hecho, esta masa es esencialmente equivalente a estudiar fotones en un medio que proporcione disipación (por ejemplo, dentro de un superconductor).

El hecho de que el fotón no sufra este mismo destino es realmente una consecuencia de su falta de masa. Hay muchos límites posibles en la masa del fotón. Por supuesto, el solo hecho de que veamos fotones desde distancias muy largas proporciona un límite superior (bastante fuerte) en la masa del fotón, aunque quizás sea un poco engañoso ya que hay ciertos modelos inusuales que evitan este límite fuerte. Los límites independientes del modelo más robustos que tenemos hasta la fecha son aproximadamente$10^{-14} eV/c^2$, es decir, un factor de aproximadamente$10^{23}$inferior a la masa del protón.

Un rayo de luz o un rayo láser no se detendrá hasta que alcance una obstrucción.

Si no hay obstrucción, la luz NUNCA se detendrá. No tiene fin.

Ya sea un haz o un rayo de luz, los fotones seguirán viajando hasta que sean absorbidos. Los fotones no pueden detenerse porque viajan a una velocidad constante, la velocidad de la luz, es decir, no pueden acelerar ni desacelerar. Sin embargo, sus longitudes de onda cambian con el tiempo debido a la expansión del universo, es decir, sus longitudes de onda aumentan y pierden energía como tal porque$E_{\gamma}$y$\lambda$son inversamente proporcionales,

$E_{\gamma} = \frac{hc}{\lambda}$.

Un "rayo de luz" debe ser reescrito como "fotón" porque aquí estamos hablando de física.

Entre un solo fotón y un rayo láser, en este caso, no hay diferencia. Cada fotón continuará su viaje hasta que se detenga, cada fotón es "indistinguible" de los demás (en el sentido de que no son diferentes intrínsecamente). Los fotones de un rayo láser solo tienen el mismo nivel de energía y viajan en la misma dirección (suponiendo un láser perfecto), pero esto no tiene importancia para la pregunta.

Un fotón solo se puede detener interactuando con él con suficiente energía. Si la interacción es de menor energía o es un campo gravitatorio el fotón se desviará pero seguirá "moviéndose".

¿Y la luz (rayo de luz y haz de láser) se detiene después de viajar una cierta distancia o no tiene fin?

Creo que quieres saber si un fotón puede viajar fuera del Universo. Si un fotón llega al límite del Universo, continuará su viaje, ¡extendiendo el Universo mismo!

La primera ley de Newton establece que una partícula tendrá velocidad constante a menos que una fuerza externa actúe sobre ella. El fotón no tiene masa, pero, no obstante, la primera ley sigue siendo válida en el caso de la luz.

1. Cuando se proyecta un rayo de luz, (digamos) desde la superficie de la Tierra hacia el exterior en el espacio. La condición es que no haya obstrucción hasta el infinito (viaja solo en el vacío). Mi pregunta es hasta donde puede llegar ese rayo de luz?

En este caso$c=v$dónde$c$es la velocidad de la luz que viaja en el vacío (una constante) y$t$parece ser$\rightarrow \infty$segundos según la información proporcionada en su pregunta.

La distancia que recorre la luz depende del tiempo que viaje porque$c$es constante en el vacío lo que implica:

2. Además, en lugar de un rayo de luz, si considero un rayo láser con las mismas condiciones, ¿hasta dónde puede llegar un rayo láser?

Igual que con 1.

Compara ambas situaciones.

Uno es un rayo de luz que viaja infinitamente en el vacío y el otro son varios rayos de luz coherente que viajan infinitamente en el vacío.

La distancia que puede viajar una partícula está determinada en parte por su masa.

Si la partícula tiene una masa inferior a unos 7 eV, entonces podría cruzar el universo sin atenuación.