Ondas EM: ¿Cómo viajan miles de millones de km sin amortiguación?

La luz de las galaxias distantes sufre un cambio de frecuencia. Está desplazado hacia el rojo, y la cantidad de desplazamiento hacia el rojo se usa para calcular qué tan rápido se aleja la galaxia distante y, por lo tanto, qué tan lejos está. Sin embargo, esto no es un efecto amortiguador. La luz roja cambia porque el espacio-tiempo entre nosotros y la galaxia distante se está expandiendo, por lo que, aunque la energía de la luz se conserva, se propaga a una distancia mayor.

Usted pregunta por qué la luz no se amortigua, pero ¿por qué debería ser así? Dado que la energía se conserva, la onda de luz no puede perder energía a menos que haya algún mecanismo para llevarse la energía. Para una onda de luz que viaja en el vacío, simplemente no existe un mecanismo por el cual pueda perder energía, por lo que no lo hace.

En tu último párrafo, creo que te estás confundiendo con un efecto diferente. Cuando una estación de radio terrestre transmite, envía las ondas de radio como una media esfera (la mitad sobre el suelo). A medida que se aleja del transmisor, la intensidad del campo de las ondas de radio disminuye como el inverso del cuadrado de la distancia porque la energía de la onda transmitida se extiende sobre un área más grande. Sin embargo, la energía total de la onda de luz se conserva. Obviamente, esto también sucede con galaxias distantes porque cuanto más distante es una galaxia, más débil parece. Esto no se debe a la amortiguación, es solo la dependencia de la ley del cuadrado inverso de la intensidad del campo.

En primer lugar, no observamos estrellas individuales que estén a mil millones de años luz de distancia (es decir, la luz de las estrellas emitida hace mil millones de años). Las estrellas individuales que observamos son supernovas que pueden estar fuera de nuestra galaxia, pero son lo suficientemente brillantes y visibles solo por un breve momento; o estrellas de nuestra galaxia, la Vía Láctea, que se encuentran como máximo a 200.000 años luz de nosotros.

Los objetos más distantes que observamos son galaxias enteras, diferentes de nuestra galaxia. Los cuásares, visualmente "objetos cuasiestelares" que en realidad son núcleos galácticos activos, suelen estar incluso más lejos que eso.

Un objeto que está a mil millones de años luz de distancia se desplaza hacia el rojo por la ley de Hubble. La constante de Hubble es de unos 22 km/s por millón de años luz, por lo que 1.000 millones de años luz les da velocidades del orden de 22.000 km/s, o 1/14 de la velocidad de la luz. Este es sin duda un corrimiento al rojo significativo y observable. Las frecuencias se reducen por el factor de$15/14$, también. No es "del todo" una coincidencia que el número 14 sea la edad del Universo en miles de millones de años, aunque no puedes usar esta fórmula si quieres una gran precisión.

Las ondas electromagnéticas en el vacío proceden indefinidamente y no pierden energía alguna – salvo la pérdida de energía (y frecuencia) de los fotones descrita en el párrafo anterior y (otro factor multiplicativo del mismo tamaño,$14/15$) la disminución del número de fotones que recogemos cada segundo.

La energía de las ondas electromagnéticas en el vacío no se puede perder debido a la conservación de la energía: simplemente no hay nada en el vacío a donde pueda ir la energía y es fácil ver que las ondas precisas y no amortiguadas son soluciones a las ecuaciones de electromagnetismo de Maxwell. Un punto aún más obvio es que la frecuencia no puede cambiar en absoluto (excepto por el cambio Doppler debido a la velocidad relativa, ya sea debido a la expansión de Hubble o alguna velocidad adicional o debido a diferentes potenciales gravitatorios en la relatividad general). ¿Por qué no puede cambiar en absoluto? Porque si las ondas electromagnéticas son creadas por algún proceso (aceleración de cargas) que tiene cierta frecuencia, las perturbaciones de "entrada" son funciones periódicas del tiempo con el período$\Delta t = 2\pi/f$lo que implica que todas sus implicaciones, como las ondas medidas hace mil millones de años, también deben ser periódicas con el mismo período. La frecuencia simplemente no se puede cambiar.

La energía total de una estrella o una fuente localizada similar se distribuye a una superficie$4\pi R^2$, la superficie de la esfera, donde$R$es la distancia. Entonces, de hecho, la cantidad de luz de una estrella que podemos ver está disminuyendo a medida que$1/R^2$. Sin embargo, el tamaño angular (aparente) de la estrella también está disminuyendo a medida que$1/R^2$lo que significa que la densidad de energía (luz) por unidad de ángulo sólido es independiente de la distancia$R$. Las estrellas que están más lejos se ven "más pequeñas", pero el "color intrínseco" del punto no depende de la distancia.

Una buena pregunta para cualquiera que haya pensado en el Big Bang, el corrimiento hacia el rojo y el Hubble, etc. Hay preguntas válidas sobre el corrimiento hacia el rojo del Hubble que lleva a la teoría del Big Bang. En primer lugar, el espacio se considera comúnmente como un vacío, pero no es así. El espacio contiene una variedad de materia que va desde átomos hasta moléculas, gases y sólidos y una miríada de caminos de espacio curvo (si crees en eso) alrededor de estrellas y planetas, o la gravedad como una partícula. Luego está la materia oscura y sus efectos desconocidos. Lo siguiente es la complejidad incalculable de la radiación electromagnética multidireccional que podemos detectar y si existe o no una interferencia mutua. Luego, considere solo la luz que percibimos y se dará cuenta de que consiste en colores de diferentes longitudes de onda, ¡cada uno supuestamente llegando simultáneamente después de viajar años luz de distancia! Si podemos ver la luz que ha viajado tan lejos, debe haber sido emitida por una estrella grande (considerando el efecto de dilución radial) y, por lo tanto, sintió algo de arrastre en su salida por la gravedad (sabemos que la luz interna tarda mucho en salir). nuestra estrellita el sol). El caso extremo es el agujero negro, donde se dice que la gravedad impide la salida de la luz. Es milagroso que un fotón llegue aquí puramente con la energía de su emisión a años luz de distancia y sin 'fricción' que impida el progreso (por fricción me refiero a todo lo anterior). Si el efecto Hubble fuera una ilusión, entonces no existe la teoría del Big Bang. Busque temas como 'luz cansada' y encontrará que no está solo pensando libremente sobre esta pregunta. debe haber sido emitido por una gran estrella (considerando el efecto de dilución radial) y, por lo tanto, sintió algo de arrastre en su salida por la gravedad (sabemos que la luz interna tarda mucho en salir de nuestra pequeña estrella, el sol). El caso extremo es el agujero negro, donde se dice que la gravedad impide la salida de la luz. Es milagroso que un fotón llegue aquí puramente con la energía de su emisión a años luz de distancia y sin 'fricción' que impida el progreso (por fricción me refiero a todo lo anterior). Si el efecto Hubble fuera una ilusión, entonces no existe la teoría del Big Bang. Busque temas como 'luz cansada' y encontrará que no está solo pensando libremente sobre esta pregunta. debe haber sido emitido por una gran estrella (considerando el efecto de dilución radial) y, por lo tanto, sintió algo de arrastre en su salida por la gravedad (sabemos que la luz interna tarda mucho en salir de nuestra pequeña estrella, el sol). El caso extremo es el agujero negro, donde se dice que la gravedad impide la salida de la luz. Es milagroso que un fotón llegue aquí puramente con la energía de su emisión a años luz de distancia y sin 'fricción' que impida el progreso (por fricción me refiero a todo lo anterior). Si el efecto Hubble fuera una ilusión, entonces no existe la teoría del Big Bang. Busque temas como 'luz cansada' y encontrará que no está solo pensando libremente sobre esta pregunta. El caso extremo es el agujero negro, donde se dice que la gravedad impide la salida de la luz. Es milagroso que un fotón llegue aquí puramente con la energía de su emisión a años luz de distancia y sin 'fricción' que impida el progreso (por fricción me refiero a todo lo anterior). Si el efecto Hubble fuera una ilusión, entonces no existe la teoría del Big Bang. Busque temas como 'luz cansada' y encontrará que no está solo pensando libremente sobre esta pregunta. El caso extremo es el agujero negro, donde se dice que la gravedad impide la salida de la luz. Es milagroso que un fotón llegue aquí puramente con la energía de su emisión a años luz de distancia y sin 'fricción' que impida el progreso (por fricción me refiero a todo lo anterior). Si el efecto Hubble fuera una ilusión, entonces no existe la teoría del Big Bang. Busque temas como 'luz cansada' y encontrará que no está solo pensando libremente sobre esta pregunta.

Creo que la respuesta se encuentra en el corazón del comportamiento cuántico. Un fotón no puede disipar energía lentamente más de lo que un electrón "orbitando" el núcleo de un átomo puede irradiar energía lentamente. La energía se gana o se pierde en trozos. El comportamiento cuántico conserva el fotón hasta que interactúa con algo.