¿Cómo puede un fotón no tener masa y aun así viajar a la velocidad de la luz?

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¿Cómo puede un fotón no tener masa y aun así viajar a la velocidad de la luz?

usuario1500

He leído varias preguntas y respuestas útiles sobre fotones que mencionan el problema de masa/menos masa. ¿Entiendo correctamente que la idea de masa-menos (una masa en reposo de 0) puede ser solo una convención para hacer que las ecuaciones funcionen?

Desde el punto de vista de un profano, es difícil entender cómo una partícula de luz (fotón) puede tener menos masa. Un objeto físico (todo el mundo grande o cuántico pequeño) debe tener una masa. Sin embargo, si mi comprensión es correcta, la masa de un objeto/partícula en movimiento aumenta en proporción a su velocidad/velocidad... de modo que a la velocidad de la luz, su masa sería infinita. Un fotón viaja a la velocidad de la luz, pero obviamente no tiene una masa infinita, ¿verdad? ¿Alguien puede formular una explicación práctica que pueda ser entendida por niños de secundaria a preparatoria? Muchas gracias por la ayuda.

Guau, sus respuestas a mi Q original a continuación aclaran gran parte de mi confusión. Ahora tengo la abrumadora tarea de repasar estas pepitas y elaborar una explicación sin ecuación (con suerte) del fotón sin masa para tipos no físicos.

Sí, desde el punto de vista de un profano , parece notable que una pieza de materia existente , que tiene que estar hecha de sustancia física, pueda tener masa cero en reposo (aunque un fotón nunca está en reposo). Sería casi comprensible que una pieza de materia hecha de nada tuviera masa cero, pero eso parece ser un oxímoron, y "nada" equivaldría a inexistente, ¿verdad?

En caso de que te resulte interesante: estoy trabajando en un proyecto de escritura que postula que habitamos un universo que consiste solo en materia (cosas físicas), y que lo NO físico (también conocido como sobrenatural) no existe (ni puede existir). Por ejemplo, si se descubre que un supuesto fenómeno sobrenatural realmente existe, entonces, por definición, su existencia es prueba de que es mundano/natural. Todo lo que se necesitaría para refutar esta premisa es una prueba confiable de que UN evento sobrenatural ha ocurrido. A pesar de miles de afirmaciones de este tipo, eso nunca ha sucedido.

¿Quién mejor que los físicos para confirmar mi premisa? Sin embargo, me gustaría que los físicos de la televisión explicaran los términos que lanzan, algunos de los cuales engañan/confunden a sus espectadores legos. Caso en cuestión: "El universo está compuesto de materia y energía" (sin definir correctamente el término "energía" como una propiedad de la materia).

El resultado es que los legos se quedan con la impresión de que la energía debe ser algo aparte o independiente de la materia (es decir, no físico). Su uso del término "energía pura" sin especificar exactamente lo que eso significa aumenta la confusión. (Gracias a sus respuestas en este foro, ahora entiendo que "energía pura" se refiere a partículas de fotones). Sin embargo, los "psíquicos" y otros charlatanes se aprovechan de tal confusión al secuestrar términos como energía (como en "energía psíquica"), frecuencias, vibraciones, etc. para dar legitimidad científica percibida a sus afirmaciones de que existe un mundo espiritual sobrenatural, etc. Como puede darse cuenta, la mayoría de las personas en los EE. UU. (según Harris Poll de 2009) y en todo el mundo creen en la existencia de cosas no físicas/sobrenaturales, como fantasmas y espíritus.

Mi propósito es dar a los legos la información que necesitan para distinguir lo que es real de lo que no lo es.

Muchas gracias por la ayuda... Y, POR FAVOR, agregue cualquier otro comentario que crea que podría ser útil/esclarecedor para informar mejor a los legos.

Respuestas (9)

¿Cómo puede un fotón no tener masa y aun así viajar a la velocidad de la luz?

Motl de Luboš · Answer 1

No hay absolutamente nada convencional sobre la masa de diferentes especies de partículas. Para cualquier partícula que se mueva en el vacío, puede medir la energía total $E$ (incluida la energía latente) y el momento $p$ . Resulta experimentalmente -y la teoría especial de la relatividad de Einstein lo garantiza- que la combinación

{mi}^{2} - {pags}^{2} C^{2}

$E^2 - p^2 c^2$ no depende de la velocidad sino del tipo de partícula. Es una cantidad que describe el tipo de partícula y la llamamos

{mi}^{2} - {pags}^{2} C^{2} = {metro}_{0}^{2} C^{4}

$E^2 - p^2 c^2 = m_0^2 c^4$ Esto determina la masa en reposo.

m_{0}

$m_0$ de la partícula La fórmula anterior funciona para cualquier partícula en el vacío, a cualquier velocidad y siempre es no singular. Los fotones tienen

E = p c

$E=pc$ lo que implica que

m_{0} = 0

$m_0=0$ . La masa en reposo de un fotón es igual a cero.

De hecho, esa es también la razón por la que uno no puede realmente tener un fotón en reposo, $v=0$ . Si la velocidad de algo es $c$ en un marco de referencia, permanecerá $c$ en cualquier marco de referencia (no singular), ese es otro postulado de la teoría especial de la relatividad. Entonces, uno nunca puede hacer que la velocidad del fotón sea cero cambiando a otro marco de referencia (no singular).

Pero si desea ver algunos valores para todas las cantidades, puede imaginar que podría existir un fotón en reposo y su masa total sería cero. A velocidad $v$ , la masa se incrementa a

{metro}_{t o t a yo} = \frac{{metro}_{0}}{\sqrt{1 - v^{2} / C^{2}}}

$m_{total} = \frac{m_{0}}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$ Para

m_{0} = 0

$m_0=0$ y

v = c

$v=c$ , la expresión anterior es claramente una

0 / 0

$0/0$ forma indeterminada y su resultado propio puede ser cualquier cosa. En particular, el valor correcto es cualquier número finito. A la velocidad adecuada,

v = c

$v=c$ , los fotones sin masa pueden tener cualquier energía finita.

Hay un problema con esta derivación, a saber, no podemos usar $E=pc$ (sin hacer un argumento circular) ya que AFAIK no hay forma de derivar $E=pc$ aparte de establecer $m=0$ en el $E^2=(m_0c^2)^2+(pc)^2$ . Incluso con la ecuación de De Broglie.
Estimado @clicky-hacky-clicky-hacky, No estaba tratando de afirmar que uno puede derivar la identidad de la "nada". Algunas fórmulas o principios siempre deben asumirse y defenderse mediante una comparación exitosa de los resultados con los experimentos. Es por eso que las críticas a la "circularidad" en la física pasan por alto por completo el estatus epistémico de las ciencias naturales en general.
@LubošMotl Usted afirmó que los fotones tienen $E=pc$ , (lo que se puede derivar usando la fórmula energía-cantidad de movimiento solo estableciendo $m=0$ ), luego reemplazó ese resultado en la misma ecuación y demostró que $m=0$ . ¿No es esta lógica circular y, por lo tanto, no está mal? en.wikipedia.org/wiki/Circular_reasoning Y, por cierto, gracias por la increíble llamada 'chch', eres muy amable.
Estimado @clicky-hacky-clicky-hacky, perdón por usar una versión transliterada de su nombre en checo (origen: klikyháky, klikykáky). :-) No tengo el teclado adecuado para escribir su nombre y copiar y pegar sería irrespetuoso e irrespetuoso... Si las afirmaciones individuales en un conjunto de afirmaciones en física se implican entre sí para que pueda encontrar un bucle que usted llama "razonamiento circular", seguramente no significa que ninguna de las afirmaciones sea incorrecta. En cambio, todo lo que escribo y todo lo que he escrito en mi vida, más o menos, es verdad. En física, algunas afirmaciones deben asumirse/extraerse de las observaciones.

david z · Answer 2

¿Entiendo correctamente que la idea de masa-menos (una masa en reposo de 0) puede ser solo una convención para hacer que las ecuaciones funcionen?

No, un fotón realmente tiene masa cero. Puedes pensar en él como una partícula de "energía pura" si te ayuda a entenderlo, pero el único sentido en el que eso es válido es que un fotón tiene energía pero no masa.

Sin embargo, si mi entendimiento es correcto, la masa de un objeto/partícula en movimiento aumenta en proporción a su velocidad/velocidad...

No, en realidad la masa es un invariante relativista. Cada objeto tiene su propia masa intrínseca particular que siempre es la misma sin importar la velocidad a la que se mueva el objeto. Lo que aumenta es la energía . Para objetos masivos, están relacionados por la fórmula citada por Luboš,

mi = \frac{metro C^{2}}{\sqrt{1 - v^{2} / C^{2}}}

$E = \frac{mc^2}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$

(tenga en cuenta que mi $m$ corresponde a su $m_0$ ).

Aquí hay una pequeña motivación histórica. En los primeros días de la relatividad, los físicos se dieron cuenta rápidamente de que a medida que un objeto se acelera, se vuelve más y más difícil aumentar su velocidad en una cantidad determinada. Esta es una forma de expresar la razón por la que ningún objeto puede superar la velocidad de la luz. Ahora, decimos que un objeto que es más difícil de mover tiene más inercia, y la convención predominante era que la inercia debería estar relacionada con la masa, por lo que tenía sentido que un objeto que se mueve más rápido debería tener más masa, en cierto sentido. Los físicos acuñaron el término "masa relativista" para referirse a esta cantidad.

Sin embargo, también reconocieron que había algo especial en la masa relativista de un objeto en reposo, ya que (por ejemplo) esa era la masa relativista mínima que el objeto podría tener; es la cantidad de masa que es intrínseca al objeto. Muy apropiadamente, llamaron a esto la "masa de descanso".

En años posteriores, impulsados en parte por el descubrimiento de la relatividad general, los físicos se dieron cuenta de que tiene más sentido decir que la inercia está relacionada con la energía , no solo con la masa. Después de todo, GR te dice que hay otras cosas además de la masa que contribuyen a la gravedad, por lo que tiene sentido que haya otras cosas además de la masa que contribuyen a la inercia. Entonces, el término "masa relativista" cayó en desgracia (bueno, más o menos, todavía hay un buen número de personas que lo usan) y los físicos simplemente comenzaron a hablar de energía en su lugar. Los dos están simplemente relacionados por la ecuación

mi = {metro}_{real} C^{2}

$E = m_\text{rel}c^2$

Esta es la famosa ecuación que la gente asocia con Einstein, aunque muchas veces olvidan el subíndice "rel" y eso genera mucha confusión ;-)

Ahora que "masa" no se usa para describir la cosa total relacionada con la inercia de un objeto en movimiento, podemos usar esa palabra para describir la "masa intrínseca" o "masa en reposo" sin ninguna confusión. (Nuevamente, más o menos; todavía hay un buen número de personas que hablan de "masa de descanso" y es posible confundirse cuando diferentes grupos con diferentes convenciones hablan entre sí). Entonces, en estos días, "masa" se refiere a lo que fue anteriormente conocida como "masa de reposo". Como dije, cada objeto tiene su propia masa particular, y para un fotón, eso es cero. Como dijo Luboš, solo los objetos con masa cero pueden viajar a la velocidad de la luz, de lo contrario, la energía sería indefinida.

Para dar sentido al fotón, recuerda la ecuación completa de Einstein

{mi}^{2} = {metro}^{2} C^{4} + {pags}^{2} C^{2}

$E^2 = m^2 c^4 + p^2 c^2$

lo que dice que la energía proviene tanto de la masa como del momento. Entonces, incluso si una partícula no tiene masa, aún puede obtener su energía del impulso, y los fotones tienen tanto energía como impulso.

David: no quiero ser quisquilloso, y sé que matemáticamente no hay diferencia, pero desde un punto de vista físico (y didáctico) hay una gran diferencia: no deberíamos escribir la relación masa-energía-cantidad en forma pitagórica. Esta es una ecuación para la norma del vector energía-momento para el cual el formato apropiado es el formato invariante: masa en un lado y energía-momento en el otro. Esto hace que la firma de Minkowski sea explícita y evita que los lectores profanos se equivoquen.
@Johannes: objeción notada, pero en este caso estoy expresando la energía como la combinación de contribuciones de masa e impulso. Entonces, el formulario que usé es el que mejor se ajusta a mi propósito aquí. Para otros efectos, otras disposiciones de los términos serán las más apropiadas. Sin embargo, no creo que pueda argumentar razonablemente que existe un formulario adecuado para todas las aplicaciones.
" un fotón realmente tiene masa cero ". Luego explica $E = mc^2$ . Si hay una masa ( $m$ ) de 0, entonces no hay energía ( $E = 0c^2$ -> $E = 0$ ).

johannes · Answer 3

Usted pide una explicación práctica que pueda ser entendida por los niños de secundaria/preparatoria interesados. Creo que esto se acerca: ¿Qué tiene de malo $E=mc^2$ ?

La masa es la norma (=longitud) del vector energía-momento, y por lo tanto invariante y conservada. La norma cuadrática del vector energía-momento para un objeto con energía $E$ y el impulso $p$ es $E^2-p^2$ . (ver nota abajo) La raíz cuadrada de esta expresión es la masa ( $m$ ). Un fotón tiene $E = p$ , y por lo tanto masa cero. Una partícula masiva en reposo tiene $p = 0$ y por lo tanto $E = m$ , la ecuación más famosa de Einstein (ver nota al pie).

Olvídate de la 'masa relativista'. Este es un término confuso que no agrega ningún entendimiento. Cada vez que vea el término 'masa relativista', reemplácelo con el término 'energía', ya que eso es lo que realmente es. Un fotón tiene energía (en proporción a su frecuencia) pero no masa.

¿De verdad crees que es notable que pueda haber energía sin masa?

Nota: En los factores de inserción anteriores $c$ cuando no se trabaja en unidades naturales (es decir, reemplazar $m$ con $m c^2$ , y $p$ con $p c$ )

voz · Answer 4

Otro punto de vista. Cuanto menor sea la masa en reposo de la partícula, más fácil será acelerarla a la misma velocidad . El electrón ligero es fácil de acelerar a la velocidad. $0.9999c$ que el núcleo pesado. Fotón con masa en reposo $< 10^{-18}eV$ puede ser considerada como la partícula más ligera.

Zeki · Answer 5

Creo que estás confundido. Los fotones no tienen masa, tienen cantidad de movimiento.

@LightnessRacesinOrbit Solo para partículas con masa que viaja a velocidades no relativistas.

Lucas · Answer 6

En respuesta a la discusión, "Sí, desde el punto de vista de un profano..." Es importante notar que se le dio una definición a lo sobrenatural, es decir, no físico, luego se dijo que no debe ser natural; natural posiblemente signifique físico. Uno de los axiomas de la visión era que, 'Solo se puede encontrar lo que es físico', y 'Lo que existe es físico'. Aunque el autor lo hace sonar como una conclusión, es un axioma, por lo tanto, hay un razonamiento circular. En lugar de 'por definición', debería decirse: 'Por definición y por la suposición de que la existencia de algo significa que es físico, concluyo que lo sobrenatural no existe'.

También es importante notar que cualquier definición dada puede crear axiomas, y que cualquier axioma dado puede crear términos indefinidos (como en un enfoque axiomático de la geometría). Además, ¿cuál es la definición del autor de 'encontrado'? ¿Es que lo encuentra la física experimental o lo encuentra la física teórica?

Acerca de la energía, todo lo que tengo que decir es que generalmente se acepta que las partículas necesitarían energía para crearse, es decir, un fotón. El autor argumenta que el fotón es la materia misma. Los axiomas incluyen: 'Todo lo que podemos pensar como una partícula es materia'. En realidad, este es un axioma que lleva (posiblemente junto con otros axiomas) a la conclusión de que todo es físico, o una conclusión que es consecuencia del axioma de que todo es físico. El autor no prueba estas ideas de forma independiente. De nuevo, razonamiento circular.

Virgo · Answer 7

La ecuación de la cantidad de energía para una partícula de masa $m$ , energía $E$ y el impulso $p$ es:

{mi}^{2} = {pags}^{2} C^{2} + {metro}^{2} C^{4}

$E^2=p^2c^2+m^2c^4$ Así que si

m = 0

$m=0$ después

E = p c

$E = pc$ . Para una partícula de masa

m

$m$ moviéndose con velocidad

v

$v$ tenemos las relaciones estándar

E = γ m c^{2}

$E=\gamma mc^2$ y

p = γ m v

$p=\gamma mv$ . Las ecuaciones anteriores implican

v = 𝑐

$v=𝑐$ . Sin embargo, como eso implica

γ = \infty

$\gamma=\infty$ lo que implica

𝐸 = \infty

$𝐸=\infty$ a no ser que

𝑚 = 0

$𝑚=0$ . Como

𝑚 = 0

$𝑚=0$ para un fotón esto implica que las ecuaciones anteriores son consistentes con

E \neq \infty

$E\not=\infty$ .

Argos · Answer 8

Como soy un laico, así es como me justifico a mí mismo, ya que este es un Beowulf obstinado, por favor, considérelo como mi "opinión" y no como un hecho. En mi opinión, dos objetos con masa que se dirigen uno hacia el otro crearán una explosión. Teniendo esto en cuenta, tomo dos linternas y las apunto: oh no, ¿es un acelerador de partículas barato? Por desgracia, las linternas están encendidas y bueno, en realidad no pasa nada. No chocan y crean algún tipo de lluvia de partículas. En términos sencillos, simplemente pasan a través del haz de luz de la otra linterna; Lo mismo que con dos punteros láser. Pasan, no chocan en un sentido físico.

Los rayos de pueden chocar, es débil. No es diferente a disparar un neutrino a través de la Tierra.
@RonMaimon: De una manera matemáticamente rigurosa, estoy completamente de acuerdo, pero en el alcance de esta pregunta, está pidiendo una idea más generalizada de cómo un laico puede validar una ideología tan complicada.
El operador ha dado un ejemplo ridículo, pero si realiza su prueba rigurosamente, en un apagón, sin otras fuentes de luz presentes, y usa luz coherente de una fuente láser, los dos haces de luz podrían interferir entre sí. otro; pero demostraría patrones de interferencia consistentes con la luz siendo una onda de energía, propagándose como una onda, es decir, exhibiendo refuerzo y cancelación cuando los dos haces están en fase. No hay partículas presentes, por lo que es absurdo esperar que ocurran colisiones de partículas, como en un supercolisionador.

Rayo gamma · Answer 9

Rayo gamma

Dado que esta pregunta se trata de cómo un fotón puede viajar a la velocidad de la luz y, sin embargo, no tener masa, responderé diciendo que los fotones que no tienen masa es precisamente la razón por la que pueden viajar tan rápido, y sin masa, se vuelve intangible que cualquier cosa lo haga. Ve más lento.

Abhinav

La compactación por contracción de longitud no es un concepto válido para una partícula puntual como un fotón y, en cualquier caso, no está relacionada con el aumento de masa relativista.

Rayo gamma

la declaración de compactación fue para objetos con masa, no para el fotón, la contracción de longitud puede no estar relacionada con el aumento de masa, pero está relacionada con su compresión, que era mi punto.

Abhinav

También pueden existir partículas puntuales masivas. La introducción de la contracción de longitud es realmente irrelevante aquí.

Rayo gamma

Ok, los cuerpos grandes con composición atómica se pueden explicar de esta manera, pero tienes razón. este proceso físico no puede aplicarse a partículas puntuales con masa, solo puede ser análogo a algo más interno. (Quizás fue un ejemplo engañoso).

Rayo gamma

De hecho, estaba confundiendo masa con densidad relativa.

Ed999

En mi humilde opinión, esta respuesta no debería haber sido rechazada. La afirmación de que un fotón puede viajar en c porque no tiene masa es exactamente cierta. ¿ Alguien realmente cree que un fotón es una partícula? Evidentemente, no lo es: según Einstein, es una onda, una vibración en el tejido del espacio-tiempo. Una partícula se define como un objeto que tiene masa, por lo tanto inercia. La inercia es lo que impide que una partícula alcance incluso una pequeña fracción de la velocidad de la luz. Una onda, al ser sólo una vibración inducida, no puede tener inercia. La energía, al ser una onda, por lo tanto sin masa, no tiene inercia ni momento, por lo que se propaga en c.

¿Cómo puede un fotón no tener masa y aun así viajar a la velocidad de la luz?

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