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

Question

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, de ondas y de partículas, por lo tanto, ¿cómo es posible que si una fuente de luz se mueve cerca de la velocidad de la luz, su luz emitida no alcance más de $c$ ? (Ya sé que, según Einstein, el tiempo se ralentiza para los objetos en movimiento).

Answer 1

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

No hay nada peculiar en esto. Esto es no donde entra 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 sólo del medio y no de la fuente. Por ejemplo, la velocidad de la onda sonora de un altavoz que viaja a $50 \text{ m/s}$ y la de la onda sonora de un altavoz en reposo son ambas iguales. Se trata de mecánica ondulatoria pura y dura, nada peculiar.

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

Answer 2

Puedes ver las matemáticas sobre la fórmula de la adición de la velocidad y decir, vaya, así es como funciona. Pero te preguntas ¿por qué?

Utilizamos las matemáticas para describir el mundo real, y no al revés. Y usted pide 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 debe moverse a una velocidad que sume la velocidad de la fuente de luz (que se aceleró a 0,9  c ) y la velocidad de la 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. Dichas fórmulas se aplican a sucesivas transformaciones de Lorentz, por lo que también relacionan diferentes marcos de referencia. La adición de velocidad va acompañada de un efecto cinemático conocido como precesión de Thomas, por el que sucesivos impulsos de Lorentz no colineales pasan a ser 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 manera equivocada. Primero, después de la gran banda, sólo había partículas sin masa (mar de fotones), todas moviéndose a la velocidad c en el vacío. Esta era la única velocidad.

Ahora, para reducir la velocidad en las dimensiones espaciales, es necesario ganar masa en reposo. Algunas partículas (y objetos) ganaron masa en reposo y su velocidad espacial disminuyó hasta ser más lenta que c .

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

Este objeto emite luz. Estas partículas sin masa, al ser emitidas, comienzan a moverse a la única velocidad permitida que pueden, c .

En este caso, no hay ninguna 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 de forma relativa (más lenta) a ellos.

Answer 3

Tenga en cuenta que mis conocimientos científicos son limitados. Esto es sólo una explicación popularizada que me ayudó a entender ese concepto. Tómelo como lo que es, puede ser inexacto o muy simplificado.

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

El espacio-tiempo tiene 4 dimensiones, siendo el tiempo una de ellas. Cada objeto (¡no sólo los fotones!) en este espacio-tiempo se mueve a la misma velocidad, c . Esto significa que la longitud del vector utilizado para representar esta velocidad es siempre c . Sin embargo, su dirección varía. Así que la longitud de sus componentes en cada dimensión varía. Llamémoslas x , y , z y t . Lo realmente importante aquí es el valor de t .

Para todos los objetos de la vida real, 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 x , y y z varían en función 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 en función 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 solemos entender 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

Answer 4

Imagínese a gente volando sobre un lago, golpeando el agua lo suficientemente rápido como para que sólo emane una ondulación. No importa lo rápido o lento que vaya la gente, la velocidad de la ondulación sigue siendo la misma. Tú estás en el marco del lago, los demás lo verían desde el marco de su propio lago, cada uno tiene su propio lago que ve tocar a los demás (esto puede parecer raro, pero la relatividad describe la realidad para nosotros, no al revés). Y si quieres una representación de partículas, puedes pensar en dividir la ondulación en paquetes de ondas (de nuevo, esto puede parecer raro pero la mecánica cuántica nos da una nueva imagen de la realidad, lo que vemos es descrito por ella, no al revés).

Las ecuaciones de Maxwell predicen una velocidad de la luz a partir de 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, independientemente de lo rápido o lento que se muevan.

Answer 5

Es uno de los postulados de Einstein.

Respuesta científica a su pregunta basada en la fórmula adicional de las velocidades: $$ V^\prime = \frac{V+u}{1+Vu/c^2} $$

Si $V=c$ entonces $V^\prime = c$ .

Para entender más profundamente es necesario utilizar 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 un análogo en la vida cotidiana, sólo intentamos describir la naturaleza que nos rodea.