La velocidad de la luz al reflejarse

Question

(NOTA: Soy un niño de 8º grado, así que puede que no sea capaz de elaborar perfectamente mi punto de vista con medidas científicas. Además, el inglés no es mi primera lengua)

He leído que la velocidad de la luz es constante, y no disminuye a menos que se den ciertas circunstancias (como atravesar material denso y/o grueso).

Cuando una pelota choca contra la pared y rebota, tiene impulso, excepto en el momento en que choca contra la pared, ya que allí la velocidad sería 0.

¿Qué tal la luz? ¿Cómo puede la luz mantener una velocidad constante al chocar con algo? ¿No debería ser la velocidad de los fotones nula cuando no se mueven ni hacia delante ni hacia atrás al chocar con la pared?

Answer 1

En este caso, sería útil no considerar la luz en su forma de partícula como fotones, sino considerarla como una onda - ver esta página de la wikipedia . Entonces, la onda simplemente se refleja en la superficie, sin que tengamos que considerar la cinética de ninguna partícula. La onda, en el vacío, seguiría propagándose a la velocidad de la luz, independientemente de la superficie en la que se refleje.

Sin embargo, es posible seguir considerando la luz como fotones. Estos fotones son absorbidos por el material, que luego instantáneamente emite un nuevo fotón con la misma velocidad que el fotón incidente. Esto no implica que el fotón sea reflejado por el material, por lo que se evita el caso en el que un fotón tendría una velocidad de 0.

Gracias a TheGhostOfPerdition por indicarme que se me había pasado esa segunda parte.

Answer 2

Permítanme explicarlo en términos puramente clásicos (no es la descripción de la realidad, pero es fácil de imaginar).

Te has dado cuenta de que cuando una pelota rebota en la pared, en un momento determinado, no tiene impulso. Sin embargo, debe seguir teniendo todo el energía del movimiento (sin tener en cuenta las pérdidas en el medio ambiente), ¿a dónde fue a parar esa energía?

La bola está formada por muchos átomos discretos, unidos por fuerzas electromagnéticas. Cuando la pelota empieza a golpear la pared, se comprime: los átomos se acercan más de lo que lo harían sin la presión. A medida que la parte trasera de la pelota se acerca a la parte delantera, la energía cinética se convierte en esa compresión, y el impulso se transfiere a la pared (y a través de ella, a la Tierra, acelerando su rotación en una cantidad minúscula). En algún momento, toda la energía cinética se pierde: en la pelota comprimida, en el sonido, en el ligero calentamiento tanto de la pelota como de la pared, etc. Pero la bola sigue comprimida y los átomos no quieren estar tan juntos, por lo que se empujan unos a otros y a los átomos de la pared. La energía de compresión almacenada se convierte de nuevo en energía cinética, y el impulso es "robado" a la pared (de nuevo, acelerando la rotación de la Tierra en una pequeña cantidad). La bola coge velocidad y, cuando se libera toda la compresión, se desplaza a la misma velocidad que cuando chocó (sin tener en cuenta las pérdidas de energía en el entorno).

El fotón no es una partícula compuesta. No hay nada que "comprimir" para almacenar la energía cinética. Compara cómo rebota una pelota de goma con la forma en que rebota una bola de billar. En el primer caso, gran parte de la energía se almacena en la compresión de la pelota de goma. Pero una bola de billar es mucho más dura, y casi no se almacena energía en su compresión: el tiempo que la bola pasa en la etapa de "ausencia de impulso" es mucho más corto que el de la bola de goma. Se puede considerar que un fotón es infinitamente duro en esta imagen - no pasa ningún tiempo en la fase de "compresión" - simplemente rebota, al igual que las bolas en una cuna perfecta de Newton.

Sin embargo, tengo que señalar de nuevo que no es así como funciona realmente la luz. En realidad, el fotón no rebota en absoluto, sino que es absorbido y, tras un tiempo, se emite otro fotón en la dirección correcta, como si el fotón rebotó.

Y lo bueno de la física es que a medida que vas profundizando, verás un montón de "bueno, eso no es del todo así". Todos esos comportamientos que te enseñaron (y te enseñarán en el futuro) están en nuestros modelos de la realidad, no en la realidad misma. Son modelos útiles para modelar ciertos escenarios, e inútiles para otros. ¿Necesitas calcular dónde caerá un rayo de luz si lo haces brillar en un espejo? Eso ya se puede hacer, con el simple modelo del ángulo de Brewster. Pero la realidad es más compleja que eso: por ejemplo, si se recortan trozos del espejo en lugares calculados con precisión, se tendrá un espejo que refleje la luz a un diferentes ángulo (busque "espejo de difracción" si esto le parece interesante :)).

Por lo que sabemos, ni siquiera los fotones son realmente reales. Ahora mismo, el mejor modelo que tenemos de la realidad no tiene pelotas rebotando, ni fotones que se comporten a veces como bolitas y a veces como olas en una piscina, sólo hay un campo cuántico que no es ni una bolita ni una ola en una piscina. Pero sólo utilizamos ese modelo cuando es absolutamente necesario, porque es muy difícil de utilizar. Pero sabemos que está más cerca de la realidad que cualquier otra cosa que tengamos, porque explica (y predice) cosas que ninguna otra teoría hace, y ya dependemos de la teoría en dispositivos prácticos reales de uso cotidiano (supongo que tienes un ordenador personal, ya que estás publicando preguntas en StackExchange :P). Algún día, una teoría mejor podría ganar terreno, y diríamos "Bueno, pensábamos que la luz es realmente un fenómeno superficial de un campo cuántico electromagnético subyacente, ¡pero resulta que eso era una tontería! En cambio, los plátanos son realmente lo fundamental del universo, obviamente". :)