¿Los fotones tienen inercia?

Todos conocemos el ejemplo donde decimos que una caja sin masa que contiene fotones tiene inercia, porque los fotones ejercen presión sobre las paredes internas de la caja.

Pero mi pregunta es sobre un solo fotón que viaja libremente. ¿Puede tener inercia?

Un aspecto de esta propiedad es la tendencia de los objetos a seguir moviéndose en línea recta a una velocidad constante, cuando ninguna fuerza actúa sobre ellos.

https://en.wikipedia.org/wiki/Inercia

Hay otra definición de inercia, es decir, necesitamos ejercer fuerza sobre un objeto cuando tratamos de sacarlo de la geodésica que sigue.

un fotón de energía E confinado en una caja perfectamente reflectante y sin masa tiene una masa en reposo porque tiene inercia, es decir, necesita fuerza para acelerar la caja contra la presión de la luz de la onda que se refleja desde el interior de la caja: el impulso necesario para alcanzar la velocidad v≪c es Ev/c2, por lo que podría decirse que el sistema tiene masa en reposo y ciertamente masa inercial E/c2. Los fotones de energía E siempre suman la masa gravitatoria efectiva E/c2 al término T00 en el tensor de energía de tensión "fuente". Por lo tanto, tienen una masa gravitatoria E/c2 y, de hecho, existen soluciones electrovac de las EFE donde la luz intensa actúa sobre sí misma a través de la gravedad. Entonces masa inercial = masa gravitacional

Fotón: velocidad y masa

Esta respuesta establece específicamente que un fotón, que tiene energía de estrés, contribuye al tensor de energía de estrés, por lo tanto, tiene masa gravitacional, y este hecho, junto con el hecho de que los fotones tienen sus propios efectos gravitatorios, significa que masa inercial = masa gravitatoria para el fotón.

Sin embargo, muchos en este sitio identifican la inercia únicamente con objetos masivos.

Ahora, al igual que cuando quitamos un objeto masivo de su camino en una geodésica, necesitamos usar fuerza sobre él para "empujarlo" lejos de la geodésica, podemos hacer lo mismo con un fotón usando un espejo.

Ahora bien, si tenemos un fotón, viajando en una geodésica, y usamos un espejo para sacarlo de la geodésica, usamos la fuerza (constituida por el espejo) para sacar el fotón de la geodésica original, y el fotón ejercerá presión sobre el espejo. (fuerza opuesta).

Ahora, la presión del fotón (transferencia de momento) en el espejo puede ser minúscula, pero depende de su frecuencia, porque para los fotones, la energía, la frecuencia y el momento son proporcionales. Esto podría interpretarse como que los fotones tienen inercia, proporcional a su energía, al igual que para los objetos masivos, la inercia es proporcional a su masa (que se reduce nuevamente a energía de tensión).

Entonces, en última instancia, el contenido de energía de estrés determina la inercia, y eso se aplica tanto a las partículas masivas como a las sin masa.

Pregunta:

  1. ¿Los fotones tienen inercia?
Parece que ya ha respondido a su propia pregunta: si define la inercia como una contribución al tensor de tensión-energía, entonces tienen inercia. ¿Qué estás preguntando que no está ya contenido en tu pregunta?
@ACuriousMind hay muchos en este sitio que afirman que la inercia es para objetos masivos, y muchas preguntas y respuestas que usan la inercia solo para partículas masivas. Mi pregunta se refiere a establecer que, en última instancia, las partículas sin masa pueden tener inercia (fotones en el ejemplo).
@ACuriousMind Me gusta de wiki: "En el uso común, el término "inercia" puede referirse a la "cantidad de resistencia al cambio de velocidad" de un objeto o, para términos más simples, "resistencia a un cambio en el movimiento" (que se cuantifica por su masa ), o a veces a su impulso, dependiendo del contexto". Este es un ejemplo que usa la masa como definidor de la inercia misma.
@ACuriousMind esto no es tan simple como decir que los fotones tienen impulso. Creo que tener inercia es más que solo tener impulso (como los fotones tienen impulso).

Respuestas (4)

sí lo hacen, y por las razones que esbozaste. En principio, sería posible construir una "vela" de espejo que, cuando se desplegara cerca de una estrella, podría usarse para impulsar una nave espacial a través de la fuerza de reacción de los fotones . Sin embargo, la fuerza de reacción es pequeña y para generar aceleraciones útiles, se necesitaría una vela de muchas millas de ancho.

Es posible que Isaac Asimov haya escrito un cuento de ciencia ficción sobre "navegar al sol" en la década de 1950, tendré que revisar mi biblioteca para ver si esto es cierto.

Creo que estás pensando en el cuento escrito en 1964 por Arthur C. Clarke titulado Sunjammer .
@PM2Ring tienes toda la razón, ¡lo leí ese año!
No solo es posible en teoría. Funciona en realidad con LightSail-2. Ver planetary.org/sci-tech/lightsail

La inercia es la resistencia de cualquier objeto físico a un cambio en su velocidad. Esto incluye cambios en la velocidad del objeto o en la dirección del movimiento.

El fotón es una partícula elemental con masa cero, pero está descrita por un vector de cuatro. Su velocidad es siempre la velocidad de la luz c, pero su dirección puede cambiar dependiendo de la interacción con campos o partículas.

La lente gravitacional es un fenómeno observado.

donde decimos que una caja sin masa que contiene fotones tiene inercia, porque los fotones ejercen presión sobre las paredes internas de la caja.

Una caja que contiene fotones no puede ser sin masa. Incluirá la masa colectiva de los fotones, que es la longitud de la suma de cuatro vectores de los cuatro vectores de caja y fotones. Solo si los cuatro vectores de masa cero son colineales en el espacio, la masa total de fotones será cero. Entonces, dado que hay una masa, hay inercia según la definición anterior.

Muchas gracias, entiendo bien, que un solo fotón no puede tener inercia?
Esta respuesta parece ser sobre la inercia rotacional (momento de inercia), mientras que la pregunta del OP es sobre la inercia traslacional ("mi pregunta es sobre un solo fotón que viaja libremente").
@electronpusher He cambiado drásticamente la respuesta, gracias por comentar
@ÁrpádSzendrei He cambiado la respuesta así que tal vez deberías repensar
¿No sería más correcto decir que un fotón no tiene inercia, pero la interacción con una caja y un fotón actúa como si la CAJA tuviera inercia? Ya que la luz en realidad no tiene masa, pero tiene energía. y cualquier inercia aparente se debe a la interacción con los fotones y la caja, en lugar de que los fotones realmente tengan inercia.
¿Qué haría un fotón si se encontrara con un espejo con una impedancia de 377 Ohm, sería absorbido totalmente? ¿Y si la impedancia fuera -j1000? ¿Sería atraída la superficie hacia el fotón? ¡Maxwell responde que sí a estas preguntas en el caso de las ondas planas!
@barry un fotón es una entidad mecánica cuántica y sus interacciones se rigen por la mecánica cuántica. No "ve" la impedancia, sino un campo con el que puede interactuar mecánicamente cuánticamente y su comportamiento puede ajustarse con una función de probabilidad. Por lo tanto, la fuerza en F=ma se convierte en los cuatro impulsos dp/dt en el diagrama de vértices para la interacción del fotón. Si busca en Google, hay documentos que calculan la inercia análoga para el fotón.
@jensenpaull No lo creo. El F=ma de las dimensiones clásicas se convierte en el dp/dt de las interacciones de Feynman de los fotones con el campo de la superficie de la caja. Si busca en Google, hay documentos que calculan la inercia análoga para el fotón. ejemplo: arxiv.org/html/physics/9810025
anna VI He estado ocupada puliendo lentes de cámaras de 34 pulgadas durante algunos meses, pero he vuelto. En el mundo real, la luz y la RF se comportan de acuerdo con Maxwell, QM conduce a paradojas, más rápido que el túnel de luz, incapacidad para explicar la interferencia de dos rendijas a baja intensidad, etc. Por lo tanto, los ingenieros en mi oficio no usan el concepto de fotón. "El diablo está en los detalles" Pedí una predicción de lo que se observará cuando un fotón interactúe con impedancias complejas, QM es incapaz de manejar tal sofisticación.......
..........QM es incapaz de manejar tal sofisticación, es por eso que los militares no usan QM;s en la industria furtiva para diseñar revestimientos antirreflejos para RF o radar óptico. La tecnología Maxwellian ahora es capaz de detectar aviones sigilosos que son esencialmente "radiadores de cuerpo negro" perfectos. Los QM no parecen ser útiles en esta investigación, quizás pueda ayudar aquí con algunos nuevos avances de QM. ¿Podría comenzar intentando predecir los resultados de mi comentario original?
Las ecuaciones de @barry maxwells están bien para estudios de ingeniería y grandes dimensiones. Los fotones no son necesarios para las ecuaciones de Maxwell, por lo que no hay forma de responder a su pregunta, son manzanas con naranjas. Por cierto, la mecánica cuántica explica completamente el experimento de doble rendija con fotones individuales también, physics.stackexchange.com/questions/90646/…
Una breve búsqueda sobre la inercia de un fotón explica que masa inercial = masa gravitacional, y por lo tanto su masa inercial aparente no es cero. También una búsqueda dice que la única forma de "medir" realmente es conteniéndolos en algo (como una caja). que todavía encuentro poco convincente. Es obvio que un fotón tiene impulso, sin embargo, una disminución en el impulso del campo no tiene ningún impacto en la velocidad del fotón real. Supongo que esta pregunta se reduce a un juego de definición, ya que solo he usado la palabra inercia, en el contexto de la resistencia a la aceleración.
Las ecuaciones de anna v Maxwells no tienen límite superior, también son válidas para los rayos gamma de mayor energía. Por cierto, su enlace de ninguna manera demuestra fotones individuales que interfieren con solo uno en el experimento a la vez, es un pensamiento mágico. Los llamados "fotones" que se acumulan con el tiempo son simplemente ruido térmico más ondas EM que, cuando se agregan, dan la ilusión de que se detectan fotones. Tengo un enlace a un documento que simula perfectamente el efecto usando ondas maxwellianas más ruido. jumpshare.com/v/TX5vZ8WKGtSgHSJrfSt3
@barry esta es su propia teoría del mundo y este sitio es para la física convencional, por lo que no podemos discutir más

De alguna manera, las preguntas sobre la inercia están relacionadas con las de la masa fotónica. La discusión sobre una masa fotónica puede llevarse a cabo interminablemente. En general:

  • está claro que un fotón no tiene masa en reposo . Porque no puede estar en reposo. Solo puede existir después de su emisión hasta que no sea absorbido. En el medio se mueve a la velocidad de la luz.
  • la emisión de fotones (energía) reduce la masa del emisor Desde Einstein, masa y energía han estado directamente relacionadas. La designación de la energía fotónica como masa solo tiene sentido si los cálculos son diferentes Y van acompañados de un efecto medible. Este no parece ser el caso y aparentemente no será el caso en el futuro.

La inercia es la tendencia de los objetos a seguir moviéndose en línea recta a una velocidad constante, cuando ninguna fuerza actúa sobre ellos. En general:

  • Para nuestro entorno habitual, dos fotones no interactúan, no se ejerce ninguna fuerza entre sí. Por lo tanto, la inercia no se manifiesta.
  • los fotones de alta energía son capaces de aniquilarse en dos o más partículas subatómicas. Yo no llamaría inertes a estos procesos, porque estos fotones desaparecen.

Pero hay otro proceso en el que se desvía un fotón. Si un fotón vuela cerca de un borde, se desvía. Eso no es sorprendente; tanto los fotones como los electrones de la superficie del borde tienen campos magnéticos y eléctricos, y estas interacciones son una buena razón para la desviación de los fotones. Del hecho de la desviación se puede concluir que los fotones tienen inercia.

Las ondas electromagnéticas ejercen una fuerza repulsiva sobre una superficie conductora al inducir primero una corriente en esa superficie, la corriente resultante produce un campo magnético en tal dirección que se opone al campo que lo produjo, esta es la ley de lenz o ley de Faraday.

https://en.wikipedia.org/wiki/Lenz%27s_law

Si esto puede interpretarse como inercia, que así sea.

¿Los fotones tienen inercia?
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