¿Los fotones envejecen?

Los fotones no pueden tener una perspectiva.

Si tenemos una partícula con masa, podemos imaginarnos tomando un marco de referencia en el que esa partícula esté en reposo. Entonces podemos ver las cosas "desde la perspectiva de la partícula". Pero no existe un marco de referencia en el que un fotón esté en reposo. Los fotones siempre se mueven a la velocidad de la luz en cada marco de referencia.

Si trato de establecer un marco de referencia que se mueve a la velocidad de la luz, hay una singularidad. El universo no tiene tiempo, y todo el espacio está comprimido en dos dimensiones. Entonces, de una manera muy real, un fotón no tiene perspectiva. Sólo podemos considerar el tiempo en un marco de referencia que lo incluya. Tiene mucho sentido decir que los fotones tienen un año en nuestro marco de referencia. Y eso es lo mejor que podemos decir.

Hay una cantidad en relatividad de$s^2$que se define como$t^2-x^2$, dónde$t$es la diferencia de tiempo entre dos eventos, y$x$es la diferencia de posición (medida en unidades tales que$c=1$). Si$s^2$es positivo, entonces su raíz cuadrada es el tiempo propio. Si es negativo, entonces la raíz cuadrada de$-s^2$es la distancia adecuada. (Por cierto, los tiempos/distancias propios son invariantes bajo las transformaciones de Lorentz, es decir, son los mismos en todos los marcos de referencia inerciales).

El tiempo propio es cuánto tiempo experimenta un objeto entre los dos eventos. Podemos escribir$x = vt$, dónde$v$es la velocidad del objeto, y entonces tenemos$s = \sqrt {t^2-(vt)^2}$, y podemos factorizar el$t$Llegar$s = t \sqrt {1-v^2}$. Esta es la dilatación del tiempo: cuanto mayor$v$es decir, cuanto menos tiempo tengamos para un tiempo fijo$t$. Si$v=c$, entonces nosotros tenemos$s = t \sqrt {1-1}$(recuerde, tenemos unidades tales que$c = 1$), por lo que el tiempo propio es cero. Por lo tanto, no existe un tiempo adecuado entre la emisión y la absorción de un fotón (aparte de algunas complicaciones, como que un fotón viaje a través de un medio transparente).

Entonces, si acepta el tiempo adecuado como "edad", entonces un fotón no tiene edad. Si tiene una definición diferente, entonces podría tener una edad. En este sentido, el fotón no "experimenta" el tiempo, y no hay "desde la perspectiva del fotón". Un ejemplo de las implicaciones de esto es la oscilación de neutrinos. Los neutrinos tienen tres sabores diferentes y oscilarán entre ellos. Antes se desconocía si los neutrinos tenían masa, pero el hecho de que los neutrinos oscilen exige que tengan masa. Si no tuvieran masa, viajarían a$c$y tienen cero tiempo propio. Pero las oscilaciones tienen lugar con el tiempo, por lo que una partícula que viaja a$c$no sería capaz de oscilar.

Incluso si sustituye la definición de tiempo adecuado por "distancia recorrida", no puede garantizar que haya acertado esa distancia. Supongamos que el fotón fue absorbido por el gas interestelar de hidrógeno, luego se volvió a emitir con una longitud de onda diferente, ¿era un fotón nuevo o uno antiguo?

El tiempo no tiene cambio para el sistema asociado con el fotón. Entonces, técnicamente hablando, los fotones que tienes, que no colisionaron con nada, tendrían la misma edad que la estrella misma.

Pero, cuando los científicos introducen el concepto de "edad del fotón", en su mayoría lo consideran en función de su longitud de onda. Entonces, los fotones emitidos cerca de la zona roja del agujero negro perderán su energía.$E=h \omega$, han aumentado la longitud de onda$\lambda=c\cdot 2\pi/\omega$hasta una longitud de onda infinita (cuando comienzas en$g_{00}=0$). En otras palabras, tales fotones tendrán una "edad infinita".

Debido a que el fotón fue emitido por una estrella distante, experimentará un desplazamiento hacia el rojo de acuerdo con la ley de Hubble.$v=H\cdot L$. Este desplazamiento hacia el rojo podría asociarse en cambio con el "envejecimiento de fotones". Lo que tendrá exactamente el mismo significado de que todo el Universo tiene tendencia a expandirse con curvatura según la Relatividad General. Entonces, el "envejecimiento de fotones" en ese sentido será lo mismo que la curvatura del espacio-tiempo ya considerada en GR, que será el duplicado.

Esto depende de quién exactamente está haciendo la medición.

Hay un sentido muy real, a pesar de que las respuestas aquí tal vez minimicen o no lo aborden lo suficiente, en el que razonablemente se puede decir que los fotones que se han emitido están "congelados" y sin edad, y es que ni los fotones , ni ningún otro tipo de partículas sin masa, sufren ningún tipo de cambio o evolución interna.

Las otras respuestas tienen razón al sugerir que no existe una "perspectiva" desde un fotón, pero de hecho, las razones dan peso a la idea de "fotones eternos": no puede tener un "punto de vista " de un fotón es porque un fotón no puede sufrir ningún cambio interno, y la razón por la que lo hace es que no envejece (en un sentido físico muy amplio). Para que usted "experimente", su organismo material necesita pasar por algún tipo de dinamismo interno, como los disparos neuronales que forman los patrones de procesamiento de información dentro de su cerebro que, como mínimo, le permite marcar el tiempo y marcar la recepción de la información. información de fuentes externas. Pero un fotón tampoco puede hacer nada.

Matemáticamente, el concepto de fotones que "no envejecen" se puede dar en términos de la métrica de tiempo adecuada de su línea de tiempo: la "longitud" o métrica de una curva.$\gamma$entre dos puntos cualesquiera en el espacio-tiempo , bajo las coordenadas habituales de Minkowski$(t, x, y, z)$, es

. De hecho, esto es lo más parecido a lo que creo que estás preguntando: si bien no es una "perspectiva", es una medida "absoluta" de "cuánto ha envejecido algo" durante su tránsito entre dos puntos en el espacio -tiempo. Y para los fotones,$\tau = 0$siempre - no tienen edad.

Pero , por supuesto, desde el punto de vista de alguien en la Tierra , esto depende de nuestro estándar de simultaneidad. En el espacio-tiempo de Minkowski hay uno natural, pero no exclusivo, para usar, que es el de las "coordenadas de Minkowski" que acabo de mencionar con un valor establecido de$t$, y ese es el que normalmente escuchas, y según ese estándar, los fotones tienen 1 año. Sin embargo, desde el punto de vista del pensamiento relativista general, que, por cierto, es en realidad la teoría más "completa" de la mecánica relativista y no falla en sus lecciones si consideramos el caso del espacio-tiempo plano, en realidad no hay nada esencial sobre las coordenadas de Minkowski. Lo que cuenta es la métrica del espacio-tiempo que mencioné anteriormente y, por lo tanto, no hay un sentido completamente honesto y no arbitrario en el que la "simultaneidad" tenga sentido en absoluto; es mejor hablar de "causalmente conectado" y "causalmente desconectado". ": si dos puntos de espacio-tiempo pueden enviar un mensaje de uno a otro.

Si elegimos esta ruta, para tomar una visión disciplinada de la relatividad general conscientemente consciente de la situación, las afirmaciones que podemos hacer son: la emisión de fotones está "apenas" causalmente conectada con su recepción en la Tierra, el intervalo cruzado es cero, por lo que los fotones no tienen edad "desde su propio [no] punto de vista", y el tiempo de ida y vuelta para enviar un fotón y luego regresar es de dos años , y no tiene sentido hablar "ahora" a menos que tú lo definas de cual de$\beth_1$posibilidades que quieres para mí como la que te gustaría usar.

Entonces, la respuesta a su pregunta "¿ Envejecen los fotones? " es:

Con un pequeño ajuste a las definiciones para llegar a lo que apuesto a que realmente buscas, no. Pero si optamos por volvernos un poco más exploradores, sí , a la edad de un año. Y más aún, por último, no tiene sentido .

No, a la velocidad de la luz, el tiempo es estacionario, creo que dice Einstein, y solo se degradará cuando interactúe con otra cosa. Y como sabemos, un fotón continuará para siempre en el vacío si no se ve obstaculizado y, de ser así, no puede haber envejecimiento.