Si un fotón no tiene masa, ¿por qué no tiene una velocidad infinita? [duplicar]

Que la luz se mueva con una velocidad fija en el vacío, en todos los sistemas de referencia es un hecho experimental. Las ecuaciones de Maxwell se ajustan tan bien a todos los datos electromagnéticos macroscópicos que no se cuestiona la velocidad de la luz. Es inherente a la construcción de la teoría clásica.

La luz está compuesta por un trillón de fotones. Los fotones son partículas elementales en el modelo estándar de la física de partículas . Las partículas elementales en movimiento con altas velocidades no obedecen a las transformaciones de Galileo , que están implícitas en su pregunta. Esto es cierto para objetos macroscópicos y velocidades muy lejanas a la velocidad de la luz. Para el microcosmos de las partículas elementales son las transformaciones de Lorenz las que definen las velocidades y los límites de las transformaciones de un sistema a otro. En las transformaciones de Lorenz, la velocidad máxima alcanzable es la velocidad de la luz, por todas las partículas de masa cero. Las partículas con masa nunca pueden alcanzarlo.

Así, como la partícula de luz más pequeña es el fotón, el fotón debe tener masa cero ya que la velocidad de la luz está limitada por c.

No hay forma de explicar esto sin explicar primero la relatividad. En el universo galileano (la física "clásica", que es lo que la mayoría de la gente asume y piensa intuitivamente), la velocidad de la luz no se puede explicar. De hecho, las ecuaciones de Maxwell, que describen cómo funciona la luz, fueron la primera pista de que nuestra comprensión del espacio-tiempo era errónea.

Entonces, la verdadera pregunta es: cómo explicar la relatividad especial a un laico. Los documentales y los libros para niños tienen muchos enfoques... Solo diría lo siguiente:

La velocidad (como en la distancia recorrida, dividida por el tiempo tomado, medidos ambos por la misma persona) es limitada porque la naturaleza de nuestro universo es tal, que el espacio y el tiempo están conectados geométricamente, similar a decir "¿por qué el ángulo más grande posible en el triángulo es 180 grados" o "por qué no hay norte en el polo norte". Las fuerzas causan aceleración y cambian la cantidad de movimiento, pero a grandes velocidades, el aumento de la cantidad de movimiento ya no cambia tanto la velocidad.

Hay una especie de analogía de la vida real... considera los lugares A y B, y quieres llegar allí en la ruta más corta posible. Siempre que las personas tomen caminos muy largos y torcidos (los caminos lentos), siempre se puede encontrar una mejor ruta y ni siquiera se nota ningún límite (como si nuestros antepasados ​​no tuvieran que preocuparse por la velocidad de la luz). .. pero una vez que llegas a los caminos realmente rápidos, empiezas a darte cuenta de que hay un camino más corto: la línea recta. No hay camino más corto que ese, no importa cuánto lo intentes. Es geometría pura. No existe un "límite de velocidad" mágico en el universo, solo estamos midiendo una cantidad que matemáticamente no puede ser mayor que la velocidad de la luz. Si mides el impulso, puede ser tan grande como quieras.

Aquí es donde entran los fotones: en relatividad, la relación entre el impulso$p$, energía$E$y velocidad$v$es$v=pc^2/E$. También está la relación$E^2=(mc^2)^2+(pc)^2$. Entonces, si tienes masa, la energía siempre será mayor que$pc$, y la velocidad siempre será menor que$c$. Pero para la luz, siempre es$E=pc$, entonces$v=c$(y no puede ser diferente).

EDITAR: ¿cómo es que la velocidad de la luz no es infinita? Porque si lo fuera, nuestro universo sería muy diferente en formas que seguramente notarías. Para que la ecuación de onda tenga sentido, la velocidad de la onda debe ser finita, por lo que el hecho de que existan ondas electromagnéticas (se mantienen las ecuaciones de Maxwell) prueba que debe ser finita. Si no, no tendríamos inducción, ni radio, ni interferencia... es bastante natural para nosotros suponer que los cambios en el entorno toman tiempo para notarse en otro lugar, tanto, que la gente luchó durante mucho tiempo cómo la gravedad y ese trabajo (las fuerzas a distancia eran problemáticas y solo se resolvieron cuando nos dimos cuenta de que hay campos que transportan esta información a través del espacio). En ese sentido, la velocidad finita de la luz hizo que algunas cosas fueran más fáciles de entender. La acción instantánea a distancia rompería mucha física.

En la relatividad especial, como explicó Einstein, hay dos posibilidades. O la velocidad de cualquier partícula está limitada o no. Ahora bien, si la velocidad no está limitada, aparece la teoría de Galileo. Pero como ya sabemos, eso no explica adecuadamente la transformación de velocidades de un marco de referencia a otro con precisión cuando se trata de altas velocidades. Entonces, el único otro caso es que la velocidad es limitada, si es así, ¿qué es? Resulta que esta velocidad es precisamente la velocidad de la luz.

Entonces, cualquier partícula que tenga menos masa viaja a la velocidad c, por lo que la velocidad de la luz también es c.

El límite de velocidad c para partículas sin masa es una característica del espacio.

De acuerdo con la ecuación de Maxwell, la velocidad de la luz, que es la velocidad de las partículas sin masa, refleja las características del vacío.

• permitividad de vacío$\mu_0$y
• permeabilidad al vacío$\epsilon_0$.

Tal límite de velocidad de las ecuaciones de Maxwell es incompatible con la relatividad de Galilei y condujo en 1905 a la relatividad especial de Einstein.