¿Cambia un desplazamiento al azul la energía de un fotón?

Question

La energía de un fotón depende de su longitud de onda, por lo que, en teoría, cuando se desplaza hacia el azul debería tener más energía, ¿no?

Entonces, ¿qué pasaría si una nave espacial con un panel solar en la parte delantera viajara hacia el sol a velocidades relativistas? Un fotón entrante sufre un desplazamiento hacia el azul desde el observador de la nave espacial. Entonces, ¿el panel solar lee la misma energía que si la luz no se hubiera desplazado hacia el azul? Veo dos opciones aquí: 1. O bien el panel solar lee dos números diferentes dependiendo del observador. (casi como si existieran 2 realidades) 2. O lee lo mismo porque la energía del fotón no se basa realmente en la longitud de onda

Para simplificar, imaginemos que sólo hablamos de un fotón, porque la dilatación del tiempo podría afectar al nivel de potencia que marcaba el panel solar.

Answer 1

La energía de un fotón está relacionada con su frecuencia o longitud de onda. Sin embargo, la energía es una cantidad que se conserva en un sistema de referencia concreto, pero no es invariante. Otro sistema de referencia en movimiento relativo frente al anterior mide una energía diferente.

En el ejemplo, el observador de la nave espacial que se aproxima al sol experimenta el desplazamiento hacia el azul de los fotones solares. El panel solar de la nave espacial lee una mayor energía de la radiación solar.

Answer 2

Sí, el desplazamiento al azul aumenta la energía que el observador recibe del fotón. Una analogía sería lanzar una pelota a un coche en movimiento: el golpe será mucho más fuerte cuando el coche se mueva hacia la pelota que cuando el coche se aleje de ella.

La segunda parte de su pregunta puede leerse de dos maneras:

Veo dos opciones aquí: 1. O bien el panel solar lee dos números diferentes dependiendo del observador. (casi como si existieran 2 realidades) 2. O lee lo mismo porque la energía del fotón no se basa realmente en la longitud de onda.

Interpretaciones:

1. "¿Obtienen diferentes observadores humanos diferentes lecturas del mismo panel solar?". No. Aquí no hay efectos cuánticos. Lo único que importa es la velocidad del panel solar en relación con el fotón.
2. "¿Un panel solar en movimiento obtiene una lectura diferente a la de un panel solar fijo?" Sí. El fotón dará más energía al panel solar que se mueve hacia él, debido al desplazamiento hacia el azul.

Answer 3

Sí.

La energía depende de la frecuencia. Un observador en la Tierra y otro en una nave espacial relativista que se desplaza hacia el Sol verán frecuencias diferentes debido al desplazamiento Doppler. Esto significa que los distintos observadores registrarán energías diferentes para los fotones procedentes del sol.

Aunque es un poco sorprendente que la velocidad relativa entre la fuente de luz y un observador de esa luz cambie la frecuencia observada, esto no lleva a la conclusión de que haya "dos realidades".

Por cierto, este cambio doppler de energía se aprovecha en Refrigeración Doppler para enfriar átomos con láser a $\mu K$ temperaturas. La idea consiste en disparar a los átomos un láser desintonizado al rojo respecto a la longitud de onda de transición atómica (no resonante). Si un átomo se mueve hacia la fuente del rayo láser, verá que el láser está en resonancia y, por tanto, absorberá el fotón. Esta absorción hará que el átomo se ralentice un poco. Por el contrario, si el átomo se desplaza en la dirección opuesta, verá que el haz se desplaza aún más hacia el rojo, por lo que es menos probable que absorba el fotón. Apuntando rayos láser hacia el átomo en todas las direcciones, el átomo puede ralentizarse porque no importa en qué dirección se mueva, se está moviendo hacia un rayo, por lo que siempre se ralentiza.

Por supuesto, no se puede utilizar para enfriar un átomo de forma indefinida, ya que, con el tiempo, otros efectos de calentamiento toman el relevo y se alcanza una temperatura final como equilibrio entre el enfriamiento del láser y estos efectos de calentamiento.

Answer 4

Lo que no decía la respuesta anterior (al menos no de forma evidente):

Sí.

$E = h \nu$ sigue siendo cierto pase lo que pase.