Luz en masa moviéndose a alta velocidad

Imagínese si quiere, un hilo de cable de fibra óptica de 186,000 millas de largo. Se envía un pulso de luz a través del cable estacionario: la luz tarda 1 segundo en recorrer toda la longitud del cable.

Ahora nuevamente, imagine este mismo cable de fibra óptica viajando a 98,000 millas por segundo y se envía un pulso de luz a través del cable. En este caso, tanto el cable como el pulso de luz viajan en la misma dirección. ¿Cuánto tarda la luz en recorrer la longitud del cable? ¿Le tomaría a la luz 2 segundos recorrer 1 segundo luz de distancia a través del cable?

Carl Sagan, "No añadirás tu velocidad a la velocidad de la luz"

Una vez más, imagine que este mismo cable de fibra óptica viaja a 98,000 millas por segundo... pero esta vez el pulso de luz se envía en la dirección opuesta a la que se mueve el cable. ¿La luz tarda solo medio segundo en recorrer la distancia de 1 segundo luz?

si el cable se mueve al 99,9% de la velocidad de la luz y se envía un pulso de luz perpendicular al curso del cable... ¿se pierde la información porque la luz no puede moverse en la dirección en que se mueve el cable Y su trayectoria dentro del ¿cable de fibra óptica?

Esa otra pregunta pregunta si la velocidad resultante es más rápida que la luz, mientras que esta pregunta sobre el tiempo. No estoy seguro de si es bastante un duplicado. Sin embargo, definitivamente está muy cerca. (Y creo que esto es un duplicado de algo , si no ese).
No estoy tratando de romper el límite de velocidad cósmica aquí. esto tiene mucho que ver con la cantidad de tiempo que tarda la luz en moverse dentro de la masa que se mueve a alta velocidad. Jen cita el ejemplo de una persona que se mueve dentro de un autobús en movimiento, pero quiere saber si la persona va más rápido que la luz. mi pregunta en ese contexto sería cuánto tarda la luz en viajar desde la parte trasera del autobús hasta la parte delantera del autobús si el autobús se mueve a la mitad de la velocidad de la luz.
Por un lado, la velocidad de la luz en el cable no es la velocidad de la luz en el vacío, por otro, el cable rompe la simetría de Lorentz, por lo que ni la ley de Sagan ni las comparaciones con problemas relativistas que suenan similares (velocidad de la luz en un cohete, etc.) pueden aplicarse ingenuamente.
No fue mi intención hacer una pregunta ingenua, ¿tal vez surge naturalmente? Simplemente estoy buscando una respuesta a las matemáticas. ¿Le toma el doble de tiempo a la luz viajar una distancia determinada si la masa en la que se encuentra viaja en la misma dirección? tomaría la mitad de tiempo si la luz viajara en la dirección opuesta... y finalmente, al aplicar el teorema de Pitágoras, ¿qué pasaría con la información si la luz no pudiera moverse lo suficientemente rápido para seguir el ritmo del cable que avanza y atraviesa? el cable (perpendicular a la dirección en la que viaja)
@JohnRennie ¿El duplicado enumerado actualmente aborda específicamente las preguntas del OP con respecto al efecto del índice de refracción en la medición de la velocidad de la luz de un observador relativo, es decir, si el material "arrastra" la luz? Si no, diría que el cierre como duplicado no está justificado.
Nota al margen: la propagación de la luz en la fibra óptica suele ser de aproximadamente ( 2 / 3 ) C . Lo cual no tiene nada que ver con la relatividad.

Respuestas (6)

Reemplacemos el cable de fibra óptica con una fuente láser y un fotodetector a distancia L = 186 , 000 mi separados en el vacío y en reposo entre sí. La fuente de láser apunta directamente al fotodetector. Alice observa la fuente láser y el detector moviéndose a velocidad constante v = 93 , 000 mal = C / 2 con respecto a su marco inercial, en sentido positivo X dirección. La fuente dispara un pulso en el momento exacto t = 0 cuando pasa por Alice. Entonces, según Alice, ¿cuánto tarda el pulso de luz en llegar al detector? ¿Qué pasa si la fuente y el detector cambian de lugar? ¿O si la dirección fuente-detector es perpendicular a la dirección del movimiento?

Respuesta corta : para v = C / 2 , Alice ve que el pulso de luz golpea el detector después C Δ t = L 3 o Δ t = 3 s . Cuando la fuente y el detector cambian de lugar, ella observa la detección después C Δ t = L / 3 o Δ t = 1 / 3 s , mientras que para una configuración perpendicular a la dirección del movimiento, ella ve C Δ t = 2 L / 3 o Δ t = 2 / 3 s .

Detalles alargados :

1. Pulso de luz de propagación hacia adelante

Debido a la contracción de la longitud, en t = 0 Alice ve el detector en la posición X = L / γ , con γ = ( 1 β 2 ) 1 / 2 el factor de dilatación del tiempo y β = v / C . Entonces ella encuentra que viaja de acuerdo a

X detector ( t ) = L γ + β C t
Ella también ve el pulso de luz viajando a la velocidad de la luz, según
X legumbres ( t ) = C t
El pulso llega al detector cuando X legumbres ( Δ t ) = X detector ( Δ t ) , significado
C Δ t = L γ + β C Δ t C Δ t = L ( 1 β ) γ = L 1 + β 1 β
Para β = 1 / 2 esto da
C Δ t = L 3

Aquí está el problema confuso :

En el cuadro fuente-detector, la duración correspondiente es claramente C Δ t = L . Pero si el tiempo en el cuadro fuente-detector le parece a Alice dilatado en el tiempo, tal que C Δ t = C Δ t / γ , entonces como es que para C Δ t = L encontramos C Δ t = L ( 1 β ) γ en lugar de C Δ t = L γ ?

Si observamos detenidamente, Alice determina el tiempo de propagación del pulso como el tiempo durante el cual observa que el detector se mueve de

X detector = L γ en C t = 0
a
X detector = L γ + β L γ ( 1 β ) = L γ ( 1 β ) en C t = L γ ( 1 β )
En el cuadro fuente-detector, el punto final corresponde a las coordenadas
X detector | C t = L γ ( 1 β ) = γ ( L γ ( 1 β ) β L γ ( 1 β ) ) = L C t detector | C t = L γ ( 1 β ) = γ ( L γ ( 1 β ) β L γ ( 1 β ) ) = L
como esperaríamos para un pulso de luz que se propaga a través de la distancia L a partir de C t = 0 , pero el punto de inicio tiene coordenadas
X detector | C t = 0 = γ ( L γ β 0 ) = L C t detector | C t = 0 = γ ( 0 β L γ ) = β L < 0 ( ! ! )
De acuerdo con el tiempo fuente-detector, Alice comienza a monitorear el detector a la vez C t = β L , ¡ antes de que se emitiera el pulso! La duración de tiempo adecuada del detector entre el inicio y el final de los eventos de observación de Alice es entonces
C Δ t ¯ = L ( β L ) = ( 1 + β ) L > L
que de hecho es solo el tiempo de propagación dilatado en el tiempo observado por Alice, como tiene que ser:
C Δ t ¯ = C Δ t γ = L γ 2 ( 1 β ) = L ( 1 + β )
Por otro lado, el inicio del evento de observación en el cuadro fuente-detector está en X = L y C t = 0 , que para Alicia significa
X = γ ( L + β 0 ) = γ L C t = γ ( 0 + β L ) = β γ L
Entonces, para Alice, el intervalo de tiempo desde este evento hasta que el pulso de luz llega al detector es
C Δ t ¯ = L γ ( 1 β ) β γ L = γ L ( 1 β ) ( 1 γ 2 β ( 1 β ) ) = γ L
como se esperaba de la dilatación del tiempo para C Δ t = L .

Tenga en cuenta que Alice ve el pulso de luz acercándose al detector a una velocidad relativa aparente

Δ v = d d t [ X detector ( t ) X legumbres ( t ) ] = ( 1 β ) C = v C

2. Pulso de luz que se propaga hacia atrás

Supongamos ahora que la fuente y el detector cambian de lugar. La fuente dispara a t = 0 en la época de Alicia, cuando pasa el L / γ marca en ella X -eje, y en el negativo X dirección. En el mismo momento, Alice ve el detector en X = 0 . Ella observa el pulso de luz propagándose de acuerdo con

X legumbres ( t ) = L γ C t
y el detector según
X detector ( t ) = β C t
Esto significa, como antes, que el pulso de luz llega al detector cuando X legumbres ( Δ t ) = X detector ( Δ t ) o
L γ C Δ t = β C Δ t C Δ t = L γ ( 1 + β )
Para β = 1 / 2 , γ = 2 / 3 ahora tenemos
C Δ t = L 3
Una vez más, esto es diferente de C Δ t = L γ como cabría esperar de la simple dilatación del tiempo, y por una razón similar.

En el cuadro fuente-detector, la fuente dispara desde la ubicación X = L , pero a tiempo C t = β L , y el pulso se propaga hasta que se encuentra con el detector en

X = γ ( β L γ ( 1 + β ) β L γ ( 1 + β ) ) = 0 C t = γ ( L γ ( 1 + β ) β β L γ ( 1 + β ) ) = ( 1 β ) L
por lo que el tiempo de propagación adecuado es de hecho
C Δ t = ( 1 β ) L ( β L ) = L
Pero el evento de inicio de Alice corresponde a que el detector está en X = 0 para t = 0 , que es solo X = 0 para t = 0 en el otro marco. En este último su tiempo de observación C Δ t = L γ ( 1 + β ) corresponde a
C Δ t ¯ = ( 1 β ) L 0 = ( 1 β ) L
que es, por supuesto, el valor dilatado en el tiempo esperado, C Δ t ¯ = C Δ t / γ .

Tenga en cuenta que ahora Alice observa el pulso de luz acercándose al detector a una velocidad relativa aparente

Δ v = d d t [ X detector ( t ) X legumbres ( t ) ] = β C ( C ) = v + C > C
Sin embargo, ¡esto no es propagación superlumínica! Es solo la velocidad a la que cambia en el tiempo la distancia entre dos eventos simultáneos en el marco de Alice (observación del detector y observación del pulso de luz). No hay objetos moviéndose a velocidad. v + C .

3. Pulso de luz que se propaga perpendicularmente a la dirección del movimiento

Finalmente, cuando la fuente y el detector están dispuestos perpendicularmente a la dirección de movimiento de Alice, tenemos una variante de la configuración del reloj de luz. En este caso, Alice observa el pulso de luz que va a la velocidad de la luz en una dirección inclinada en relación con la dirección de movimiento de la fuente en una pendiente. 1 β γ y golpear el detector después de un tiempo C Δ t = γ L . Esta respuesta explica con más detalle por qué sucede esto.


Si prefiere considerar un cable de fibra óptica donde la luz se propaga a v 2 C / 3 < C , como se sugiere en uno de los comentarios, simplemente use la fórmula de adición de velocidad para obtener la velocidad de un pulso como lo ve Alice, luego aplique el mismo razonamiento.

Hay dos cosas: La luz y el cable. La luz se mueve a una velocidad de 18600 millas/segundo hacia el norte, el cable se mueve a una velocidad de 98000 millas/segundo hacia el sur. Las dos cosas tienen velocidades que se les permite tener.

La distancia entre la luz y el cable cambia 284000 millas/segundo.

Ahora permítanme recordarles que había dos cosas con esas velocidades que tienen las dos cosas. La última velocidad no es una velocidad de ninguna cosa, ya que ambas cosas tienen otra velocidad que 284000 millas/segundo, y no hay más cosas que dos.

284000 millas/segundo es una velocidad. Úselo para calcular qué tan rápido cambia una distancia, tal como lo hizo.

Repito una vez más: 284000 millas/segundo no era la velocidad de ninguna de las dos cosas. Y nada en absoluto está mal con una velocidad de miles de millones de millas por segundo. Por ejemplo, una fábrica de cables de fibra óptica puede producir cables ópticos a una velocidad de miles de millones de millas por segundo.

Hay algunas cosas relacionadas aquí. Deje que la luz se mueva hacia la derecha y que el cable se mueva hacia la izquierda a gran velocidad. v .

Primero, suponga que la luz no está en el cable. Si la luz se mueve hacia la derecha y el cable se mueve hacia la izquierda, ¿puede la luz atravesar la longitud del cable (un segundo luz de largo) en menos de un segundo?

¡Sí! La velocidad relativa de dos objetos puede ser mayor que C , y se calcula simplemente sumando sus velocidades, obteniendo v + C . La fórmula de adición de velocidad relativista no se aplica aquí ya que todo está en un marco de referencia.

Ahora, suponga que la luz está en el cable y se propaga a través del cable con velocidad C / norte . ¿Que ves?

Velocidad de propagación significa 'velocidad en el marco del propio cable'. Entonces la luz se mueve con velocidad. C / norte en el marco del cable, y el cable se mueve con velocidad v en tu marco. Puedes encontrar qué tan rápido va la luz, según tú, sumando estas dos cantidades con la fórmula de suma relativista. Lo que encontrarás es que la luz se moverá con velocidad

v yo i gramo h t = C / norte v 1 v / norte C .
Para pequeños v , el movimiento del cable afecta v yo i gramo h t menos de lo que cabría esperar. para alto v , puede parecer que la luz está inmóvil en su marco, o incluso moviéndose hacia atrás.

A pesar de esto, no importa lo que esté haciendo el cable, la luz siempre saldrá por el otro extremo. Para ver esto, tenga en cuenta que en el marco de referencia del cable, el cable está quieto y la luz se mueve a la derecha a la velocidad C / norte . Si sale en el marco del cable, también lo hará en el tuyo.

Las respuestas a este problema se pueden obtener más fácilmente al tener la fuente de luz "conectada" al cable óptico. De esta forma el marco de referencia para todos los casos, es el cable óptico, y su movimiento no tendrá efecto sobre la velocidad de propagación del pulso de luz en el cable . Bajo esta condición, es fácil ver que el pulso tardará 1 segundo en recorrer la longitud del cable, independientemente de la dirección y la velocidad que tenga el cable óptico (casos 1 y 2). En el caso de que el pulso se envíe perpendicular al movimiento del cable, el pulso de luz nunca "entra" en el cable, la información se pierde., porque no hay componente del pulso en la dirección del cable.

Hay dos cosas: La luz y el cable. La luz se mueve a una velocidad de 18600 millas/segundo hacia el norte, el cable se mueve a una velocidad de 98000 millas/segundo hacia el sur. La luz no tiene nada que ver con la velocidad del cable. Si el observador se encuentra al final del norte, leerá que la velocidad es igual a la velocidad de la luz únicamente. Debe entenderse que la luz es un fenómeno cosmológico y el cable es un fenómeno físico.

Tu respuesta estuvo bien y clara hasta la última frase. ¿Qué quieres decir con eso? ¿Puede agregar más detalles, como explicar por qué un fenómeno cosmológico no es físico?
La sustancia que tiene masa es un fenómeno físico, y la sustancia que no tiene masa es un fenómeno cosmológico. El mundo cosmológico puede no seguir al mundo físico . La constancia de la velocidad de la luz independientemente de cualquier marco de referencia, la dilatación del tiempo, la materia oscura, etc. son muchos temas que solo pueden responderse con la ciencia cosmológica. Deberíamos separar la física de la cosmología. Los fotones son solo un flujo de calor, que es proporcionado por el espacio y es parte de la cosmología. No puede agregar o substratar la velocidad física en él. Si necesita más detalles, por favor escriba.

Voy a suponer que de alguna manera construiste un cable de fibra óptica al vacío. Aunque CONVENCIONALMENTE no agregas tu velocidad a la velocidad de la luz, cuando tu velocidad se acerca a la velocidad de la luz, tu velocidad entra en juego. Si su cable vuela al 99 % de la velocidad de la luz y el rayo de luz está justo al lado, en relación con el cable, la luz viaja al 1 % de la velocidad de la luz. Debido a que el cable viaja tan rápido, la luz tardaría más en recorrer esa longitud. Aunque la luz viaja rápido, sigue las leyes del movimiento: T=D/V (el tiempo es igual a la distancia dividida por la velocidad). La distancia efectiva se duplica si el cable viaja a la mitad de la velocidad de la luz.

SIN EMBARGO

Si una linterna viaja a la velocidad de la luz y la enciendes, la luz de la linterna no viajará más rápido que la velocidad de la luz.

Un ejemplo de lo anterior: Un pulso eléctrico para un reloj en un satélite GPS. Digamos que la NASA fuera a romper un isótopo radiactivo en descomposición en 2 partes. 1 pieza se coloca en órbita solar a 25 millas por segundo, y otra se mantiene aquí como control.
Cuando la pieza en órbita regrese, según las creencias científicas actuales, debería haberse descompuesto menos que la pieza de control. si es así, ¿cómo afecta esto a los cálculos utilizados para determinar la edad de la tierra, o incluso de nuestro sistema solar? pero si el decaimiento es igual, ¿no contradiría eso todo lo que se nos enseña?