Naturaleza de la luz en la Relatividad Especial

¿Cuál es la naturaleza de la luz en el contexto de la Relatividad Especial? ¿Es un fotón, una onda electromagnética o algo más?

Tengo dudas, porque un fotón me parece un concepto de mecánica cuántica, y se supone que la Relatividad Especial es una teoría clásica.

SR no dice nada más que las propiedades de simetría del espacio y el tiempo.
La relatividad especial es una teoría puramente "geométrica", no dice nada sobre qué tipo de materia podría llenar el espacio-tiempo, lo único que importa es que tiene masa. Es como las tres leyes de Newton pero sin expresiones para fuerzas particulares. Los proporciona el modelo estándar y la relatividad general, específicamente la electrodinámica cuántica para fotones. Y la electrodinámica cuántica es una teoría cuántica relativista, es decir, incluye tanto la relatividad especial como la mecánica cuántica.
El comentario hecho por @CuriousOne es muy engañoso. La relatividad especial es una teoría sobre cómo aparecen los eventos observados desde diferentes marcos de referencia, y la luz juega un papel absolutamente crítico de la longitud del camino invariable bajo cambios en el marco de referencia. Decir que la relatividad especial es una teoría solo sobre simetrías es bastante reduccionista, especialmente dado que la teoría está motivada y comprobada experimentalmente por experimentos con luz.
@DanielSank: Sí, esas son las simetrías de las que estamos hablando. Eso es lo que es la teoría moderna, al igual que la relatividad de Galileo sobre las simetrías del espacio y el tiempo de Galileo. Que un mundo de efectos se desprenda de eso, solo, es la belleza de todo.

Respuestas (3)

El electromagnetismo clásico es perfectamente compatible con la relatividad especial. En la E&M clásica, la luz es una onda electromagnética y generalmente no existe una formulación útil en términos de partículas.

La técnica más utilizada para combinar la mecánica cuántica con la relatividad especial es la teoría cuántica relativista de campos. La QFT relativista que corresponde a la E&M clásica es la Electrodinámica Cuántica (QED). La naturaleza cuántica de esta teoría da lugar al concepto de fotones: excitaciones de paquetes de ondas cuantificadas del "campo de fotones" subyacente. Pero este comportamiento de partículas es un efecto puramente cuántico; en el límite donde ℏ → 0 y los efectos cuánticos pueden despreciarse, la imagen de las partículas no es útil.

Advertencia: en el límite de las longitudes de onda pequeñas, la E&M clásica se aproxima bien a la teoría más simple de la "óptica de rayos", en la que se puede pensar que la luz es una corriente de "partículas" que se mueven en línea recta. Pero esta es una propiedad general de las ondas con longitudes de onda pequeñas y no es específica de la luz. Cuando las personas hablan de la naturaleza de "partículas" de la luz, casi siempre se refieren a fotones y efectos cuánticos.

Los fotones son cuantos, no partículas. No existe una teoría de partículas funcional de la luz. La vieja teoría corpuscular ni siquiera puede lidiar con la difracción clásica.
@CuriousOne Eres demasiado partidario de esto. La imagen clásica de partículas es simple y funciona bien en escalas de longitud mucho mayores que la longitud de onda. ¿Y la física no se trata de elegir un modelo apropiado?
@knzhou: No estás leyendo lo que escribí. No dije que el modelo clásico no funciona, sino que no hay un modelo de partículas que funcione para la luz. Los dos no son lo mismo. El modelo clásico para la luz es un modelo ondulatorio y, a través de la aproximación de Eikonal, un modelo de rayo. Esos no tienen nada que ver con las partículas. En cuanto a la mecánica cuántica... tampoco tiene partículas, nunca las tuvo.

Para ser claros, las ecuaciones de Maxwell se conocen como ecuaciones "invariantes de Lorentz", lo que significa que toman la misma forma en cada marco de referencia transformado por Lorentz. La relatividad especial en realidad surgió del estudio de las ecuaciones (clásicas) de Maxwell sin cargas ni corrientes. Entonces obtenemos:

∇ ⋅ mi = 0
∇ ⋅ B = 0
∇ × mi = − ∂ B ∂ t
∇ × B = m 0 ϵ 0 ∂ mi ∂ t

Tome el rizo de la Ley de Faraday:

∇ × ( ∇ × mi ) = ∇ ( ∇ ⋅ mi ) − ∇ 2 mi = ∇ ⋅ ( − ∂ B ∂ t )

y sustituimos la ley de Gauss por ∇ ⋅ mi y la ley de Ampere para ∂ ∂ t ( ∇ ⋅ B ) y encontrará la ecuación de onda para mi :

( ∇ 2 − 1 C 2 ∂ 2 ∂ t 2 ) mi = 0
dónde C = 1 / m 0 ϵ 0 ≈ 2.998 ⋅ 10 8 metro / s .

Esta ecuación de onda es solo para el caso de lo que se llama "Gálibo de Lorenz" (no "Lorentz"), que corresponde a un marco de referencia que está en reposo con respecto al medio. Cuando la gente pensaba que había algún tipo de fluido o "éter" a través del cual viajaban las ondas electromagnéticas, tiene sentido que si te estás moviendo en relación con el fluido, entonces la velocidad de las ondas en el fluido cambiará. El experimento de Michelson-Morley ayudó a demostrar que no había "éter" a través del cual viaja la luz.

La idea de Einstein fue que las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad sin importar qué marco de referencia estés usando. Este principio de relatividad solo se satisface si las velocidades no se suman en el sentido galileano y siguen un conjunto diferente de reglas sobre la transformación de marcos de referencia, llamado invariancia de Lorentz. En cierto sentido fue suerte que descubrimos una teoría del electromagnetismo invariante de Lorentz , pero en otro sentido era inevitable ya que la teoría es inherentemente relativista.

Note que en ninguna parte aquí discuto la naturaleza de partículas de la luz. La relatividad especial realmente no tiene nada que ver con la teoría clásica versus la cuántica. Se trata de la diferencia entre la invariancia de Galileo y la invariancia de Lorentz.

Aparte: cuando se le preguntó más tarde por qué creía en la relatividad especial, Einstein citó el experimento de Fizeau.

La naturaleza de la luz en sí es 'contextual'. Una definición demasiado amplia es cierta más a menudo, pero menos cierta en cada contexto particular; una definición demasiado específica es la más precisa dentro de su propio contexto, pero probablemente menos en todos los demás. Einstein no define 'luz' en el 'contexto' de SR... asume su validez teórica como un concepto que representa una/la constante universal de acuerdo con otras formulaciones 'aceptadas/observadas/probadas' de su naturaleza/propiedades y luego lo aplica a una construcción teórica del universo, pero nunca lo define en el sentido lingüístico conceptual. Obviamente, muchos aspectos críticos de una 'definición' se pueden encontrar en/a partir de la teoría, pero estos no son la base de la teoría en sí misma, ni se requieren, en un sentido conceptual abstracto, para su validez.

La velocidad de la luz debe ser una constante universal, porque las ecuaciones de Maxwell tienen el sorprendente resultado de que debe ser la misma en cualquier marco de referencia.
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