¿Por qué la luz acelera instantáneamente a c, mientras que ningún otro fenómeno lo hace? [cerrado]

En física, siempre toma algún tiempo para que una partícula se mueva desde el reposo hasta cierta velocidad.

Sin embargo, los fotones (partículas de luz) aceleran instantáneamente de cero a c. ¿Cómo? (Una visualización sería útil.)

Un fotón nunca tiene otra velocidad que c. Si lo miras desde la perspectiva de los fotones, en su marco de referencia es una lanza continua que va desde la creación hasta la aniquilación. Es simplemente un puente entre dos eventos que están separados por espacio-tiempo.
No hay nada que acelere a c no instantáneamente.
Un cambio en la velocidad implicaría que el fotón está sujeto a una fuerza, pero los fotones no están sujetos a fuerzas.
@StianYttervik Corrígeme si me equivoco, pero pensé que los fotones no tenían un marco de referencia.
@fraxinus: Hola, inicialmente también quería incluir neutrinos en esta pregunta, pero me abstuve dado que no estaba claro si viajan en c o ligeramente por debajo. ¿Los neutrinos aceleran instantáneamente a la 'velocidad del neutrino'? ¿Y por qué se dice que tienen una masa en reposo pero nunca se observan en reposo?
Voto para cerrar esta pregunta porque no parece haber un ángulo astronómico para esta pregunta. Se trata de las propiedades de la luz, no de las propiedades de los objetos astronómicos. No es una mala pregunta para Física , así que he votado a favor.
¿Quién te dijo que ningún otro fenómeno lo hace? Las ondas gravitacionales y los gluones también viajan en c. Como cualquier otra partícula u onda que podamos descubrir que no tiene masa en reposo.
@AnnexRemotearn Ya nos cuesta bastante observar neutrinos que se mueven muy rápido...
@gardenhead no es útil, tienes razón. No intentes transformar ninguna ley a este marco. Como un experimento mental.
@gardenhead Tengo entendido que no puede construir un marco de referencia que se mueva en c (en relación con cualquier otra cosa), pero puede pensar en el marco que obtiene como el límite de su velocidad en c. A medida que la velocidad del marco se acerca arbitrariamente a c, la contracción de la longitud hace que la distancia a lo largo de la dirección del viaje se acerque arbitrariamente a 0. Entonces, a veces, las personas "completan el límite" y hablan del "marco de referencia de un fotón" como un marco donde la distancia entre todos puntos en su camino es en realidad 0. No es formalmente factible, pero en realidad tampoco pretende serlo; es una analogía.
@JamesK ¿debería migrarse a Physics.SE?
Quedaría mejor allí que aquí, pero esa es una decisión mod, no puede ser hecha por la comunidad.

Respuestas (6)

"Acelerar instantáneamente" implicaría que un fotón toma muchas velocidades diferentes en el mismo momento. De hecho, implicaría que un fotón adquiere todas las velocidades entre 0 y C simultáneamente , pero eso claramente no tiene ningún sentido: una partícula no puede tener muchas velocidades instantáneas simultáneamente.

Cuando se crea un fotón, viaja a C . Un fotón siempre viaja a C , no existe tal cosa como un fotón estacionario que luego se acelera. Como una analogía imperfecta, considere una onda de presión como el sonido que viaja a través del aire: la onda de presión en sí misma es el movimiento de la energía, no puede tener una onda de sonido que permanezca estacionaria y no se mueva. De manera similar, un fotón estacionario no existe; si existe, la onda electromagnética (que es el fotón ) debe estar moviéndose a C .

Como otra analogía, considere lo que sucede cuando arroja una piedra a un estanque: las ondas se expanden desde el punto de contacto. ¿A qué velocidad se movían las ondas antes de que arrojaras la piedra? Eso no tiene respuesta, ya que las ondas no existían antes de que arrojaras la piedra. Las ondas son simplemente el movimiento del agua, por lo que las ondas requieren movimiento: las ondas comienzan a existir ya en movimiento.

La cuestión es; ¿Cómo podemos visualizar una partícula que simplemente comienza en c? Digamos que eres profesor en una escuela secundaria, ¿cómo lo describirías a los estudiantes? (Alguien que estaba en esta situación me consultó, así que deseo publicarlo aquí)
@AnnexRemotearn Supongo que podría considerar la transferencia de energía en forma de onda. No es una analogía perfecta, pero considere una onda de sonido mientras viaja a través de un medio: la onda de presión existe porque se está moviendo, no puede tener una onda de presión que permanezca estacionaria. El fenómeno en sí requiere velocidad. O no existe en absoluto, o surge con cierta velocidad.
@NuclearHoagie Este comentario me parece la mejor respuesta hasta ahora. ¿Te importaría escribir una respuesta basada en eso?
"No puedes tener una onda de sonido que permanezca estacionaria y no se mueva". Seguro que puede. Se llaman "ondas estacionarias".
@ nick012000 Buen punto, pero una onda estacionaria son en realidad dos ondas que se mueven en direcciones opuestas. Una onda de presión estacionaria aún requiere el movimiento de moléculas: el aire dentro de una tubería que resuena con una onda estacionaria no es estacionario ( en.wikipedia.org/wiki/File:Molecule2.gif ).
@AnnexRemotearn Creo que el truco es superar el concepto de que "en reposo" es de alguna manera privilegiado. (Es decir, que cuando creas algo, "por supuesto" comenzaría en reposo). Cuando realmente entras en la relatividad especial (que es de donde proviene "la luz siempre viaja en c"), "reposo" no es nada especial. Lo que está en reposo para una persona/partícula es el 90% de la velocidad de la luz para otra. Hay razones por las que las partículas masivas tienden a crearse en reposo con respecto a ciertos marcos de referencia específicos (Conservación de energía y momento), pero no se aplican a los fotones de la misma manera.
Es posible que desee abordar esto: los fotones en la materia viajan a una velocidad diferente a la de los fotones en el vacío. ¿Eso significa que se acelera cuando cambia de un medio a otro?
¿Qué hay de describirlo desde el punto de vista del fotón? ¡Llegas a la existencia con un universo que pasa a tu lado a la velocidad de la luz!
@AnnexRemotearn: "El punto es: ¿cómo podemos visualizar una partícula que simplemente comienza en c?" - El problema es que, si bien tiene un aspecto de partícula, un fotón no es una partícula en el mismo sentido que lo es una bala; es una excitación del campo cuántico subyacente. En otras palabras, es una especie de ola, por lo que la analogía de las ondas en un estanque responde a su pregunta; esa es la visualización. Pero también, más allá de eso, visualizar una partícula que comienza a cierta velocidad en realidad no es tan difícil, y si juegas, probablemente ya lo hayas visto : muchos proyectiles de armas de juegos funcionan así.
@gerrit no, los fotones en la materia siempre viajan a C , como en el vacío. Por supuesto, su velocidad de fase disminuye proporcionalmente al índice de refracción, pero el borde de ataque de una onda que comienza abruptamente (aunque distorsionada por la dispersión) llegará al otro extremo de una losa de materia de ancho d después t = C / d .
@Ruslan decir que los fotones siempre viajan en c incluso en la materia, pero su velocidad disminuye en la materia debe tener sentido para un físico, pero es completamente contradictorio para los legos.

No estoy seguro de que sea un problema de comunicación visual. Mi inclinación sería pensar que este es un problema de comunicación lingüística. Las ecuaciones de la relatividad nos dicen que cualquier cosa con cero masa en reposo solo puede existir a la velocidad de la luz.
Entonces, los fotones realmente no se aceleran, es más una propiedad fundamental de su existencia viajar en c.

Esta es mi intuición también. Todo en el universo se mueve en c porque esa es simplemente la velocidad natural de las cosas. Pero una vez que una cosa tiene masa, interactúa con el campo de Higgs y, por lo tanto, se mueve a velocidades distintas de c (más lentas).

Está buscando una forma de visualizar el hecho de que se crea un fotón que viaja a la velocidad de la luz.

Recuerde que un fotón es en realidad una perturbación del campo electromagnético . Ese campo está en todas partes a la vez. Es parte de la construcción fundamental del Universo y, en esencia, siempre lo ha sido.

Una aproximación a la propagación de fotones podría ser considerar un mazo golpeando un gong. Las ondas de fuerza (ondas de sonido en el caso del gong) inducidas por el mazo que golpea el gong viajan con una velocidad instantánea; no aceleran, simplemente se propagan. La velocidad a la que se propagan está determinada por las características físicas del propio gong; es la velocidad del sonido.

El campo electromagnético tiene la propiedad de que todas sus ondas se propagan a la velocidad de la luz, c , pase lo que pase. por eso la comparación del gong tiene sus límites.

La clave para recordar es que el fotón no es una partícula; es una perturbación. Es el campo el que determina la velocidad de esa perturbación y, en nuestro Universo, esa velocidad es c .

No estoy votando a la baja, pero no creo que una explicación al nivel de la teoría cuántica de campos y la electrodinámica cuántica sea apropiada para alguien que quiere una explicación a nivel de escuela secundaria.
Sí, puedo entender que las ondas son perturbaciones/pertubaciones, pero lo que es difícil es que si estuvieras viendo cómo comienza la perturbación, ¿por qué ves que comienza instantáneamente en c? Digamos que tengo un detector de fotones, tendría que ver algún efecto físico para medir c, y la tasa de ocurrencia de ningún efecto físico puede ser igual a c, como dicen los libros de texto de física?
La escuela secundaria @DavidHammen enseña sobre campos eléctricos y campos magnéticos, y la única parte que está fuera del alcance es cómo una onda en un campo también puede ser una partícula, pero eso generalmente se señala y se agita a mano en la escuela secundaria de todos modos.
P@David Hammen; Los programas de ciencia popular en la televisión cubren mucho de esto, y no pensé que sería demasiado profundo. Pensé esto sobre el nivel dado a "¿Por qué los objetos no pueden viajar a la velocidad de la luz?" escribir preguntas.
@AnnexRemotelearn; Si golpea un trozo de alambre estirado, digamos una cuerda de piano, con un mazo, la onda que se produce no "acelera". La energía del mazo simplemente se transfiere a la cuerda y continúa su camino alegre. La luz funciona de la misma manera. El fotón es un paquete de energía que se transfiere al campo EM en el mismo sentido que la energía del mazo se transfiere a la cuerda. En ninguno de los dos casos esa onda de energía se acelera. Se mueve a través del medio (String/EM) a la velocidad del sonido del medio. La "velocidad del sonido" para el campo EM es C.
@AnnexRemoteearn Sí, al igual que cuando creas olas en el agua, no ves que las olas se aceleran, sino que se mueven a la velocidad de las olas desde el momento en que las creaste hasta que llegan al otro extremo de la piscina.
> El campo electromagnético tiene la propiedad de que todas sus ondas se propagan a la velocidad de la luz, C, pase lo que pase. < No creo que este sea el caso. c es igual en todas partes, pase lo que pase, pero c representa la velocidad de la luz en el vacío . La luz que no está en el vacío es libre de moverse más lentamente, y lo hace, a veces muy lentamente. en.wikipedia.org/wiki/Luz_lenta

Eche un vistazo a este diagrama de las conferencias de Feynman en Caltech sobre el momento angular. Aquí, un átomo con momento angular metro = 1 comienza en un estado excitado en el lado izquierdo del diagrama. Luego se mueve a un estado fundamental cuando emite un fotón, viajando a C . El momento angular se conserva, por lo que el fotón ahora tiene un momento angular de 1.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Como analogía, supón que estás en el borde de un tiovivo, que gira muy rápido. Si te sueltas, no acelerarás, sino que seguirás moviéndote en línea recta con un impulso lineal. El sistema de tiovivo perderá una cantidad correspondiente de momento angular para que se conserve el momento. ¡No es necesaria ninguna aceleración en el momento en que sueltas! Esta analogía, por supuesto, tiene sus limitaciones, ya que un fotón puede ser emitido fuera del plano de rotación.

Creo que tu principal malentendido es este:

En física, siempre toma algún tiempo para que una partícula se mueva desde el reposo hasta cierta velocidad.

Si una partícula se descompone en otras dos partículas, entonces en el momento en que se crean esas dos partículas, tienen las velocidades necesarias para conservar el impulso (es decir, el impulso antes de la ruptura debe ser igual al impulso total después). No se requiere aceleración: obtienen esa velocidad en el instante en que se crean.

Ahora los fotones tienen otra propiedad: absolutamente siempre viajan a la velocidad de la luz. Para los fotones, su impulso y energía dependen de su frecuencia (o longitud de onda, si lo prefiere), por lo que el impulso/energía no depende de la velocidad de un fotón. Esto significa que no hay ningún problema con que el fotón parta a la velocidad de la luz.

"Los fotones... siempre viajan a la velocidad de la luz" en el vacío. Pero cuando viajan a través de la materia, por ejemplo, el cristal de una lente, disminuyen la velocidad y aceleran cuando salen del cristal. Pero AFAIK (no soy un experto) no se aplica ninguna fuerza para ralentizarlos o acelerarlos de nuevo, y los fotones siempre tienen la misma energía saliendo que cuando entraron. Aparentemente, otro caso en el que los fotones no actúan como asunto ordinario.
@jamesqf Los fotones no actúan como materia ordinaria porque no son materia. Está buscando una explicación simple y clásica para un fenómeno cuántico complejo. Si ayuda, considere que los fotones no tienen masa, por lo que pueden sufrir una aceleración instantánea.
@OscarBravo Lo que quiero decir es que nunca viajan a otra velocidad que no sea la de la luz (viajar en un medio es un caso complejo). Nunca aceleran porque siempre parten a la velocidad de la luz.
@StephenG Lo sé. Le estaba respondiendo a jamesqf, quien pensaba que los fotones son materia...
@Oscar Bravo: Depende de tu definición de materia, ¿no? Pero dejando de lado los problemas lingüísticos, es ese "caso complejo" lo que es interesante. Los fotones cambian de velocidad porque cambia la velocidad de la luz, o viceversa. pero no hay aceleración.
@jamesqf Si está interesado en la razón por la cual la luz en un medio aparentemente viaja más lento que la velocidad de la luz en el vacío, le sugiero que comience con estas preguntas y respuestas sobre Physics SE .
@jamesqf No hay una definición "suya" de materia. No es una cuestión de lingüística; es física, que no es una cuestión de opinión. En el modelo estándar, los fotones, junto con todos los demás bosones de calibre, no son partículas de materia.
@Oscar Bravo: Pero en la teoría de Einstein, E=mc^2.
@jamesqf Estás mezclando masa con materia. La materia son fermiones: quarks y leptones. Los bosones son los portadores de fuerza: fotones, gluones, W, Z. Los bosones pueden tener una masa si interactúan con el campo de Higgs (W, Z), pero no son partículas de materia.
@Oscar Bravo: No creo que esté mezclando nada. Creo que soy incapaz de escribir lo suficientemente claro para que lo entiendas.

En física, siempre se necesita algo de tiempo para que una partícula se mueva desde el reposo hasta cierta velocidad.

Esto no es cierto en la mecánica cuántica. Las partículas creadas durante una interacción cuántica pueden nacer con un momento lineal distinto de cero con respecto al marco de reposo de las partículas que generan la nueva partícula. No hay aceleración. Por ejemplo, no hay aceleración cuando se crea un par de fotones a través de una colisión electrón-positrón. Los dos fotones se mueven a la velocidad de la luz desde el instante en que la colisión los creó.

Con respecto a una visualización,

Diagrama de Feynman que representa una aniquilación electrón-positrón

Este es un diagrama de Feynman que representa una aniquilación electrón-positrón. Comenzando en la parte inferior del diagrama, el diagrama muestra un electrón y un positrón moviéndose uno hacia el otro. En algún momento, las dos partículas se acercan lo suficiente como para que sus campos interactúen. Esta es la línea horizontal en el medio del diagrama. En ese momento, se crean un par de fotones que conservan la energía y el impulso de las partículas entrantes. Los fotones creados nacen moviéndose a la velocidad de la luz.

¿Cómo es tan delgado visualizable?
Gracias por la imagen y la URL; lo leeré
No creo que los diagramas de Feynman sean apropiados para educar a alguien con poca o ninguna experiencia en física.
@Thomas Respetuosamente no estoy de acuerdo. Los diagramas de Feynman son extremadamente fáciles de entender, incluso para los niños. "Esta línea recta es una partícula, que es algo que puedes sostener. Esta línea ondulada es una ola, como las olas en el océano. No podemos sostenerlas, pero podemos sentir que nos empujan". No tiene que ser 100% preciso, solo tiene que ser lo suficientemente preciso para que el profano lo entienda.
¿Por qué la luz acelera instantáneamente a c, mientras que ningún otro fenómeno lo hace? [cerrado]
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