¿Por qué la velocidad de la luz en el vacío permanece constante? [duplicar]

Sé que la velocidad de la luz permanece constante independientemente de si la fuente de luz se mueve o no. Pero es muy difícil para mi cerebro visualizarlo. La luz tiene características duales, es decir, tanto de ondas como de partículas, por lo tanto, ¿cómo puede ser posible que si una fuente de luz se mueve cerca de la velocidad de la luz, la luz emitida no alcance más de C ? (Lo sé, según Einstein, el tiempo se ralentiza para los objetos en movimiento).

Una forma de ayudar a visualizarlo es pensar en los fotones que se quitan en lugar de emitirse. No importa qué tan rápido se mueva la fuente, todos los fotones son arrastrados a la misma velocidad en todas las direcciones.
ARPAN, he rechazado su pregunta por el motivo "no muestra ningún esfuerzo de investigación". Hay bastantes duplicados similares, si no exactos, de su pregunta aquí, pero no menciona por qué ninguno de estos aborda suficientemente sus inquietudes.
Tienes que abandonar la idea de la invariancia de la simultaneidad. La propiedad de que dos eventos sean simultáneos depende de su velocidad y en qué dirección se está moviendo en relación con esos eventos. Este es el paso clave para poder visualizar la relatividad especial... pero es muy difícil. La invariancia parece bastante programada en nuestros cerebros. Einstein fue el primero en verlo, incluso si las matemáticas ya habían existido por un tiempo. Y renunciar a ella permite que su pregunta sea respondida de una manera visual.
Espera... ¿quieres decir que si estoy en un barco yendo al 99% de la velocidad de la luz y enciendo una linterna, podría dejar atrás el rayo?
@CGCampbell Si solo va al 99% de la velocidad de la luz, entonces, por supuesto, no puede correr más ligero.
Votar para reabrir porque creo que es una pregunta diferente de por qué la velocidad de la luz es independiente de la velocidad de la fuente de la pregunta de por qué la velocidad de la luz es independiente del marco de referencia. Están relacionados, por supuesto, pero son diferentes.
@DvijMankad, ¿por qué es una pregunta diferente?
@AlfredCentauri Porque, por ejemplo, también se puede hacer la primera pregunta sobre el sonido: ¿por qué la velocidad del sonido es la misma si proviene de un tren que se mueve hacia la derecha o de un tren que se mueve hacia la izquierda, etc.? Por otro lado, uno no puede preguntarse por qué la velocidad del sonido es la misma para una persona en el tren y para una persona en el suelo (porque simplemente no lo es). En el caso de la luz, podemos hacer ambas preguntas, pero eso no significa que sean la misma pregunta.
@AlfredCentauri, GiorgioP, ZeroTheHero, JMac, Kyle Kanos, ¿pueden volver a abrir? Aparte de la otra pregunta sobre el marco de referencia (y esta sobre la fuente), la otra pregunta realmente solo tiene respuestas sobre la fórmula de adición de velocidad y nada de explicaciones intuitivas.

Respuestas (6)

¿Por qué la velocidad de la luz es independiente de la velocidad de la fuente?

No hay nada peculiar en absoluto aquí. No es aquí donde intervienen la relatividad especial o la mecánica cuántica. Este es, de hecho, el comportamiento estándar de todos los fenómenos ondulatorios, es decir, la velocidad de una onda depende únicamente del medio y no de la fuente. Por ejemplo, la velocidad de la onda sonora de un altavoz que viaja a 50  EM y el de la onda de sonido de un altavoz en reposo son ambos iguales. Esta es simplemente la vieja mecánica de ondas, nada peculiar aquí.

Esto es muy intuitivo de entender también. La propagación de una onda es un mecanismo que tiene lugar en el medio. La fuente solo inicia la perturbación, la propagación de esa perturbación es lo que es la onda. Este proceso de propagación ocurre en el medio y, por lo tanto, la velocidad de esta propagación (es decir, la velocidad de la onda) depende completamente del medio.

... excepto que no hay medio para la luz. Las teorías relacionadas con el éter fallaron hace mucho tiempo. Eso es lo que es contrario a la intuición en la luz.
Aparentemente @Dvij Mankad apoya la Teoría de Lorentz Ether, que es empíricamente equivalente a SR y asume la existencia de medio o Ether. en que se propaga la luz. +1. De hecho, no está del todo claro cómo la luz puede propagarse en la nada, por eso hay tantos votos a favor.
No estoy apoyando la teoría del éter de Lorentz (que, por cierto, no es equivalente a SR de ninguna forma). La luz se propaga en el vacío. No necesita un medio material. Ese es el punto. Que las ondas electromagnéticas siguen la mecánica ondulatoria pero no necesitan un medio material para propagarse.
El campo electromagnético es el "medio" y la onda se propaga según las ecuaciones de Maxwell. Esto es bastante similar a que el aire es el medio del sonido y el sonido se propaga de acuerdo con ecuaciones que describen cómo interactúan las moléculas de aire. Se podría decir que en el mundo newtoniano, las ecuaciones de Maxwell tienen un marco de referencia preferido. Sin embargo, SR en realidad dice que las ecuaciones de Maxwell no tienen un marco de referencia preferido, por lo que no estoy del todo de acuerdo con esta respuesta.
@JiK La cuestión de un marco preferido es diferente. No tiene nada que ver con la dependencia de la velocidad de la luz en su fuente. Tiene que ver con la dependencia de la velocidad de la luz en el marco de referencia.
2 preguntas: si la velocidad de una onda depende completamente del medio, ¿no sugiere eso que todas las ondas en el mismo medio deben viajar a la misma velocidad? Entonces, ¿una onda de sonido y una onda de luz en el aire viajan a la misma velocidad? En segundo lugar, ¿no sugiere esto que la velocidad de la luz es diferente en el espacio que en el aire, lo que significa que no es constante? Yo no soy un físico en absoluto. Quizás malinterpreté algo.
@pushkin Sí, son completamente diferentes. Las ondas de agua y las ondas de sonido funcionan en un medio empujando y golpeando hacia afuera desde una fuente. Los fotones irradian hacia afuera linealmente desde la fuente y no chocan entre sí en algún medio.
@DvijMankad habla claramente sobre algún tipo de medio en su respuesta altamente votada "Este proceso de propagación ocurre en el medio y, por lo tanto, la velocidad de esta propagación (es decir, la velocidad de la onda) depende completamente del medio". . La pregunta era sobre la propagación de la luz. Por lo que entiendo de su comentario, este medio no es "preferido" de ninguna manera; por lo tanto, cada observador tiene su propio medio y lo arrastra a lo largo del universo, emitiendo rayos de luz en todas las direcciones en su propio medio privado.

Puedes ver las matemáticas sobre la fórmula de adición de velocidad y decir, wow, así es como funciona. Pero usted está preguntando por qué?

Usamos las matemáticas para describir el mundo real, y no al revés. Y estás pidiendo correctamente una explicación realista de por qué la realidad es así. Tu intuición te dice que si la fuente de luz se mueve en el espacio a una velocidad digamos de 0,9  c , entonces la luz emitida por la fuente debería moverse a una velocidad que suma la velocidad de la fuente de luz (que se aceleró hasta 0,9  c ) y la velocidad de luz, porque la luz ya tiene ventaja.

En física relativista, una fórmula de adición de velocidad es una ecuación tridimensional que relaciona las velocidades de los objetos en diferentes marcos de referencia. Estas fórmulas se aplican a las sucesivas transformaciones de Lorentz, por lo que también relacionan diferentes marcos. La adición de velocidad que lo acompaña es un efecto cinemático conocido como precesión de Thomas, mediante el cual los impulsos de Lorentz no colineales sucesivos se vuelven equivalentes a la composición de una rotación del sistema de coordenadas y un impulso.

https://en.wikipedia.org/wiki/Velocity-addition_formula

Estás pensando en esto de la manera incorrecta. Primero, después de la gran banda, solo había partículas sin masa (mar de fotones), todas moviéndose a una velocidad c en el vacío. Esta era la única velocidad.

Ahora, para reducir la velocidad de esta velocidad en las dimensiones espaciales, necesita ganar masa en reposo. Algunas partículas (y objetos) ganaron masa en reposo y su velocidad espacial disminuyó a menos de c .

Ahora, en su caso, uno de estos objetos se mueve digamos a 0,9  c , por lo que en relación con la única velocidad para partículas sin masa, es 0,9 veces más lento.

Este objeto emite luz. Estas partículas sin masa, a medida que se emiten, comienzan a moverse a la única velocidad permitida que pueden, c .

En este caso, no hay intuición equivocada. Las partículas sin masa que se emiten no pueden ir más rápido que c , ya que esta es la única velocidad. Todo lo demás (que tiene masa en reposo) se mueve en relación (más lento) con respecto a ellos.

Haces una excelente presentación de lo que hace la ciencia. Describir en lugar de explicar. Pero en lo que respecta a la pregunta, solo "pateas la lata". Por qué era C la única velocidad en el universo primitivo? ¿ Por qué los fotones emitidos deben viajar a esa velocidad? La verdad del asunto es: nadie puede responder a la pregunta. La física no aborda la pregunta "por qué". Una de las pocas cosas que podemos decir con certeza es que nuestra intuición y sentido común no se aplican a cosas que se mueven muy rápido o cosas que son muy pequeñas.
@garyp sí, tienes razón.
@safesphere Buen comentario. Déjame hacerte una pregunta: ¿por qué la geometría del tiempo y el espacio es hiperbólica?
@safesphere OK, pero no hay una razón a priori para preferir cualquiera de los cuatro sobre los demás. La pregunta "¿Por qué?" todavía parece sin respuesta. Tal vez ambos hemos hecho nuestros puntos. Bueno, creo que he informado mi punto de vista.
Entonces, ¿por qué nuestro universo tiene esas simetrías?

Tenga en cuenta que tengo un conocimiento científico limitado. Esta es solo una explicación popularizada que me ayudó a entender ese concepto. Toma esto por lo que es, puede ser inexacto o muy simplificado.

El problema es que nuestra definición de "velocidad" en la vida real es errónea cuando se habla de fotones.

El espacio-tiempo tiene 4 dimensiones, siendo el tiempo una de ellas. Todos los objetos (¡no solo los fotones!) en este espacio-tiempo se mueven a la misma velocidad, c . ¿Qué significa esto si la longitud del vector utilizado para representar esta velocidad es siempre c . Sin embargo, su dirección varía. Por lo que la longitud de sus componentes en cada dimensión varía. Llamemos a estos x , y , z y t . Lo realmente importante aquí es el valor de t .

Para todos los objetos de la vida real, los valores de t son extremadamente similares y extremadamente cercanos a c . Se "mueven" casi a toda velocidad en el tiempo, pero muy lentamente en el espacio. Por eso tiene sentido considerar la "velocidad del tiempo" como una constante y medir cómo varían x , y y z dependiendo de la posición en el tiempo. Esa es nuestra definición de velocidad en la vida real. Por eso tenemos la ilusión de que los objetos pueden moverse a diferentes velocidades. Lo hacen, pero en el espacio 3D, no en el espacio-tiempo 4D.

Esta definición de velocidad no tiene ningún sentido para los fotones, porque en su caso t = 0 ! Nuestra definición considera la posición de los fotones en las 3 dimensiones del espacio dependiendo de su posición en el tiempo. ¡Pero su posición en el tiempo nunca cambia! La idea de "velocidad de la luz" basada en lo que habitualmente entendemos por "velocidad" es absurda, por eso parece incoherente.

Aquí está mi fuente, es un video en francés pero tiene subtítulos en inglés: https://www.youtube.com/watch?v=kELX0GEQ0H0

Imagine personas volando sobre un lago, golpeando el agua lo suficientemente rápido como para que solo emane una onda. No importa qué tan rápido o lento vaya la gente, la velocidad de la onda sigue siendo la misma. Estás en el marco del lago, otras personas lo verían desde el marco de su propio lago, todos tienen su propio lago que ven tocar a otros (esto puede parecer extraño, pero la relatividad describe la realidad para nosotros, no al revés). Y si desea una representación de partículas, puede pensar en dividir la ondulación en paquetes de ondas (nuevamente, esto puede parecer extraño, pero la mecánica cuántica nos brinda una nueva imagen de la realidad, lo que vemos es descrito por ella, no al revés) .

Las ecuaciones de Maxwell predicen la velocidad de la luz desde una fuente, y Einstein demostró que las leyes de la física son las mismas para cualquier marco inercial, por lo que la velocidad es la misma para todos, sin importar qué tan rápido o lento se muevan.

Una bonita imagen. Un punto clave es que la luz emitida no está siendo empujada por la fuente o por la luz emitida posteriormente. Una vez emitido, simplemente viaja a la velocidad que requiere la física.
Este ejemplo me parece bastante poco intuitivo. La ondulación solo permanece igual en un marco estacionario a la ondulación. Para un observador en movimiento, las ondas tendrían una velocidad relativa diferente dependiendo de la velocidad del observador, que es donde realmente comienza a desmoronarse de la analogía de la velocidad de la luz, en mi opinión.
@JMac nunca va a ser tan intuitivo sin las matemáticas que explican las cosas (que cuando la gente dice intuitivo, parece que quieren evitar), lo edité. Aunque se podría decir que la velocidad medida dentro del lago sería la misma para todos, moviéndose o no, esto implicaría un medio para la luz. Así que démosle a cada uno su propio lago.

Es uno de los postulados de Einstein.

Respuesta científica a su pregunta basada en velocidades fórmula adicional:

V ′ = V + tu 1 + V tu / C 2

Si V = C entonces V ′ = C .

Para entender más profundamente necesitas usar la teoría de Maxwell. Como conveniencia de esta teoría, la velocidad de la luz es constante en cualquier marco del sistema. Esta ley fue descubierta experimentalmente.

Algunos fenómenos físicos no tienen analogía con la vida cotidiana, solo tratamos de describir la naturaleza que nos rodea.

Creo que la dualidad onda-partícula de los fotones (u otras partículas) no es relevante para esta pregunta.

No intentaré responder la parte del "por qué" de su pregunta, pero le daré una descripción que debería ayudarlo a comprender intuitivamente cómo es posible que la luz emitida por una fuente en movimiento parezca viajar a la velocidad de la luz en cualquier cuadro. de referencia.

descripción 1:

Digamos que hay un observador parado en la tierra y quieto. Una nave espacial pasa volando a una velocidad de 0,9 c, es decir, el 90% de la velocidad de la luz. Definir T 0 como el momento en que la nave estelar está exactamente encima. En ese momento T 0 la nave espacial dispara un pulso láser hacia adelante.

Ahora en T 0 + 10 segundos, en el marco de referencia del observador, la nave habrá viajado 9 segundos luz, y el pulso láser, viajando a la velocidad de la luz, habrá viajado 10 segundos luz.

Como mencionaste, el tiempo pasa más lentamente para un objeto que viaja a alta velocidad. Por lo tanto, cuando según el observador hayan pasado 10 segundos, según el piloto de la nave solo habrá pasado 1 segundo. La distancia entre la nave estelar y el pulso láser en ese momento es de un segundo luz, que es exactamente lo que esperaría el piloto, habiendo disparado el láser (en su marco de referencia) hace 1 segundo.

Esta descripción probablemente no coincida del todo con los números que te darían las ecuaciones de la relatividad, pero da una intuición.

Además de que el tiempo pasa más lentamente para un objeto que se mueve rápidamente, es posible que sepa que un objeto que se mueve rápidamente también se vuelve más pequeño en la dirección en la que viaja. Esto permite una descripción diferente de la situación anterior.

descripción 2:

Tenemos la misma situación que en la descripción 1. Una nave estelar que vuela al 90% de la velocidad de la luz pasa por el observador en T 0 y en ese momento dispara un pulso láser hacia adelante. Después de 10 segundos, según el observador, la nave estelar ha viajado 9 segundos luz y el pulso láser 10, por lo que todo está bien.

La nave estelar tiene nominalmente 300 metros de largo, o 1 millonésima de segundo luz. Sin embargo, debido a que viaja muy rápido, parece comprimida en la dirección del viaje, por lo que para el observador la nave solo parece tener 30 metros de largo. En T 0 + 10 segundos, el pulso láser parece haber viajado 10 segundos luz según el observador, o diez millones de veces la longitud nominal de la nave estelar. Según el piloto de la nave estelar, el pulso láser también ha viajado diez millones de veces la longitud de su nave (que no le parece comprimida) y, por lo tanto, el pulso láser ha viajado 10 segundos de luz en 10 segundos, por lo que se está moviendo. a la velocidad de la luz muy bien.

El observador estará de acuerdo con el piloto en que la distancia entre la nave y el pulso láser es diez millones de veces la longitud actualmente observada de la nave estelar, pero según el observador, eso equivale a 1 segundo luz. Tanto el piloto como el observador están de acuerdo en que el pulso viaja a la velocidad de la luz en relación con ellos.

Las dos descripciones no concuerdan entre sí, y si las aplica a situaciones más complicadas, se romperán. En la física real de la relatividad, ambos efectos juegan un papel (hasta donde yo sé). Pero estas descripciones pueden darle una intuición sobre cómo es posible que los observadores en diferentes marcos de referencia vean que toda la luz del observador viaja a la velocidad de la luz.

¿Por qué la velocidad de la luz en el vacío permanece constante? [duplicar]
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