¿Pueden las partículas sin masa viajar más lento que la velocidad de la luz en el vacío?

Sabemos que un objeto con masa positiva no puede acelerarse a la velocidad de la luz porque esto requeriría una cantidad infinita de energía. Mi pregunta es:

¿Hay algo en el universo que pueda viajar a menos de la velocidad de la luz en el vacío y, sin embargo, no tenga masa?

¿Es incluso posible dentro de las leyes físicas de nuestro universo?

Nota v C = pag C mi = pag C ( pag C ) 2 + ( metro C 2 ) 2 .

Respuestas (4)

En el vacío, no. Las partículas sin masa viajan a la velocidad de la luz. En relatividad, la definición de la masa (en reposo) de una partícula es la energía (dividida por C 2 ) de la partícula en su marco de reposo. Si algo tiene energía cero en su marco de reposo, ¿realmente existe? (No.) Las partículas sin masa aprovechan una laguna engañosa en este argumento porque, al moverse a la velocidad de la luz, es imposible impulsarlas hacia su marco de reposo.

En otras palabras: las partículas sin masa solo pueden existir (es decir, tener una cantidad finita de energía), a pesar de no tener masa (energía en su marco de reposo), porque no tienen un marco de reposo. Si una partícula no tuviera masa y viajara a menos de la velocidad de la luz, podríamos entrar en su marco de reposo, encontrar que no tiene energía en absoluto y ser conducidos a un enigma filosófico porque tal "objeto" no puede tener ningún efecto en el físico. mundo.

Sin embargo, en un medio , las partículas que no tienen masa en el vacío pueden viajar a una velocidad diferente de la velocidad de la luz en el vacío. Por ejemplo, la luz que viaja a través del vidrio viaja a una velocidad que es aproximadamente 1,5 veces más lenta que la velocidad de la luz en el vacío; describimos este fenómeno diciendo que el vidrio tiene un índice de refracción de alrededor de 1,5. Dicho esto, una explicación del índice de refracción es que el fotón adquiere una masa efectiva debido a las interacciones con los fonones en el vidrio, por lo que, en cierto modo, el índice de refracción es "una excepción que confirma la regla" y, de hecho, confirma la idea de que si algo viaja a menos de la velocidad de la luz en el vacío, entonces tiene algún tipo de masa.

¿Quizás no fonones, sino plasmones? Después de todo, la luz visible influye más en la parte electrónica del vidrio que en los núcleos.
¿Por qué escribes que algo no existe si tiene cero energía en su marco de reposo?
@HelloGoodbye Teniendo en cuenta mi = metro C 2 , algo sin energía no tiene masa. ¿Puedes pensar en algún ejemplo de objetos físicos sin masa? (Además de la luz, que tiene energía y no se puede llevar a su marco de reposo)
¿A qué te refieres con "objeto físico"? No soy consciente de ningún objeto sin energía, o de manera equivalente (supongo), un objeto sin masa con una velocidad inferior a C , pero a menos que recurramos a explicaciones basadas en QFT (ver la parte sobre la ecuación de Klein-Gordon en Nullius en la respuesta de Verba), no estoy convencido de que tal objeto no pueda existir.
@HelloGoodbye Quiero decir, limitémonos a la física clásica (pero podría hacer un argumento análogo para otros dominios de la física). Las ecuaciones de movimiento del Universo en la física clásica son { pag → i ˙ = ∑ k F → k , i , metro i X → i ˙ = pag → i } dónde i es una etiqueta que recorre cada partícula, F k , i es el k -ésima fuerza que actúa sobre la partícula i , pag i es el impulso, metro i es la masa y X i es la posición. ¿Cómo describiría una partícula (etiqueta j ) utilizando aquellas ecuaciones que tenían metro j = 0 ?
Entiendo tu argumento. Cualquier fuerza que actúe sobre tal partícula causaría una aceleración infinita. Entonces tendremos que asumir que no hay fuerzas actuando sobre él (aparte de la gravedad, si consideras que es una fuerza), y entonces no usaría su momento en las ecuaciones de movimiento, sino su velocidad. Sin embargo, me pregunto si una partícula de este tipo podría interactuar con otras partículas que no tengan una energía distinta de cero, ya que no puede dar a otras partículas ni energía ni momento. ¿Tal vez sería capaz de alterar las probabilidades de los diferentes resultados de un evento de dispersión? ¿Qué opinas?
@HelloGoodbye Así es. Tal vez haya situaciones oscuras en las que nuestra concepción ordinaria de una partícula no tenga sentido, y usted tiene objetos que no tienen masa por definición. Pero si nos restringimos a situaciones en las que estamos hablando de partículas ordinarias que se mueven a velocidades inferiores a C , tener masa cero significa que no es posible que ese objeto interactúe con otras partículas y, por lo tanto, no puede tener ninguna consecuencia observable en un experimento. Estoy contento de decir que tal objeto no "existe" desde el punto de vista de la física, incluso si "existe" en algún sentido filosófico.
Por "no tienen masa por definición", quiero decir que la palabra "masa" no tiene sentido para describirlos, no que tengan una masa igual a cero. Si está familiarizado con la programación, puedo obtener imágenes de masas de valor nanométrico, pero no de masas de valor cero (para objetos que viajan menos de C ). Un cuasi-ejemplo serían las teorías de Unparticle , que no tienen estados de partículas per se (aunque los estados todavía tienen masa).

Depende de lo que entiendas por "cualquier cosa".

Si perforas un agujero en un objeto sólido que se mueve más lento que la luz, entonces el agujero no tiene masa y también se mueve más lento que la luz.

Si tiene dos láminas grandes de metal con ranuras cortadas, las ranuras en ángulo entre sí y una lámina deslizándose sobre la otra, entonces hay un agujero a través de la combinación donde ambas ranuras se cruzan. Nuevamente, un agujero tiene masa cero y, en este caso, puede moverse a cualquier velocidad.

O el punto de intersección de dos haces de luz. La luz tiene masa en reposo cero y la intersección puede moverse con cualquier velocidad.

O la sombra de un objeto que rodea una fuente de luz proyectada contra una pared distante. La sombra tiene masa cero y puede moverse con cualquier velocidad.

Si se puede considerar que las 'cosas' incluyen características definidas geométricamente como intersecciones, bordes, límites, sombras, picos de ondas, etc., entonces la respuesta es 'sí'. Un paquete de ondas tiene una velocidad de grupo y una velocidad de fase, la velocidad de grupo es más lenta que la luz, la velocidad de fase es más rápida que la luz, pero ¿los picos de fase de la onda son una 'cosa' en el sentido previsto? Obviamente, no pueden tener 'masa', o no podrían viajar más rápido que la luz. Pero, ¿es que su masa es cero, o la masa es un concepto sin sentido en este caso? 'Sin masa' podría significar cualquiera de los dos.

Pero si estás hablando específicamente de la materia y su masa y velocidad, entonces la materia obedece a la ecuación de Klein-Gordon, que es una ecuación de onda en la que la velocidad de propagación de la onda se vuelve c cuando la masa se establece en cero. Entonces, si su definición de 'cualquier cosa' significa solo cosas materiales que obedecen a una ecuación de Klein-Gordon, entonces la respuesta es 'no'. La masa en reposo cero da como resultado una onda que solo puede propagarse a la velocidad de la luz.

Gracias por ser preciso. Quería decir “cualquier asunto” con el término “cualquier cosa” en este contexto.
¿Puede proporcionar una referencia para su razonamiento de Klein-Gordon? Además, ¿a qué se refiere específicamente cuando dice que el asunto sigue la ecuación de Klein-Gordon? La ecuación de Klein-Gordon simplemente proporciona la condición de capa de masa para los campos cuánticos, su propagación no está gobernada por la ecuación de Klein-Gordon, todavía está gobernada por la ecuación de Schrödinger con el hamiltoniano relevante.

Sí, todas las partículas sin masa deben viajar a c.

Si una partícula sin masa viajara a menos de c, habría algún marco en el que la partícula estuviera completamente en reposo. Pero una partícula en reposo y sin masa como su 4-momentum (o más específicamente la contracción invariante de Lorentz de su 4-momentum pag m pag m ) no se podría conservar (todos los componentes serían 0).

¿Qué quieres decir con que no se pudo conservar? Me parece que sería 0 constantemente, lo que significa que se conservaría.
@HelloGoodbye, esa es probablemente una mejor manera de decirlo: una partícula sin masa que viaja por debajo de c no podría conservar ningún impulso distinto de cero. (y si es 0 entonces no existe)
¿Por qué dices que la partícula no existe si su momento es cero? Esto ciertamente no es algo que se cumpla en general, ya que cualquier partícula que tenga una velocidad menor que C se le puede dar un impulso que es cero al observarlo en su marco de reposo. Entonces, ¿por qué sería el caso de que no existe una partícula sin masa con impulso cero? ¿Qué significa siquiera la "existencia" de algo?
Algo que existe puede afectar a otras cosas. Una partícula sin masa que siempre tiene un impulso 0 no puede afectar a otras cosas bajo ninguna circunstancia, por lo que no existe.
¿Cómo sabes que no puede afectar las probabilidades de los diferentes resultados de un evento de dispersión?
@HelloGoodbye si su impulso 4 es 0, entonces no habría términos distintos de cero para contribuir al cálculo de una sección transversal.

Depende de lo que entiendas por vacío.

Si acepta un cuerpo sólido en el vacío, entonces hay una situación con una velocidad menor que c. El fotón se desvía en el borde del cuerpo. Esta interacción con el borde lleva tiempo y cambia la dirección de la trayectoria del fotón. Obviamente, tal fotón, que está en el vacío, se propaga con menos de c.

¿Pueden las partículas sin masa viajar más lento que la velocidad de la luz en el vacío?
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