¿Por qué no la luz, que viaja más rápido que el sonido, producir un sonic boom?

Question

Sé que cuando un objeto supera la velocidad del sonido ($340$ m/s) un sonic boom se produce.

La luz que viaja a $300,000,000$ m/s, mucho más que la velocidad del sonido, pero no produce un sonic boom, ¿verdad?

Por qué?

Answer 1

Un sonic boom se produce cuando un objeto macroscópico (es decir, aproximadamente: mayor que el espaciamiento promedio entre las moléculas de aire, $\approx 3\,\mathrm{nm}$) se mueve tan rápido que el aire no tiene tiempo para "salir de su camino" en la forma habitual (linealmente responder¹ a un aumento de la presión, lo que crea un sonido normal de la onda que se dispersa muy rápidamente, de manera más o menos uniforme en todas las direcciones). En su lugar, el aire tiene que crear una fuerte onda de choque , que es de dos dimensiones y por lo tanto puede ser escuchado mucho más.

Ahora, con partículas pequeñas, como la luz, este problema no surge, porque el aire no necesita salir de la manera en primer lugar: al menos visible que los fotones no interactúa con el aire mucho a todos, de modo que simplemente "volar pasado". Cuando hay una interacción, que prácticamente significa sólo una sola molécula de aire es golpeado por un fotón. Esto le da una especie de "golpe", pero nada dramático. Y, en particular, no sucede simultáneamente a lo largo de todo el frente, así que no hay ninguna razón para que una onda de choque se acumulan.

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¹_{Otra manera de ver esto es que si usted considera que el gas en un nivel molecular. Las moléculas tienen una gran cantidad de movimiento térmico – la velocidad media es del mismo orden de magnitud que la velocidad del sonido. En este nivel microscópico, la propagación del sonido es básicamente una "cadena de mensajeros": una molécula es eliminado a ser ligeramente más rápido o más lento de lo habitual. Este impulso extra de información se lleva a cabo no tanto por el sonido-movimiento de las olas, sino por el azar movimientos térmicos – en un "buen" camino. Por lo tanto, la lentitud del objeto, o lo suficientemente pequeño objeto (como una partícula alfa) sólo causa normal de las ondas de sonido. Pero no funciona así que si usted golpea el aire, en un todo de frente en el más rápido que la velocidad del sonido: en este caso, el impulso hacia adelante que imparto es más grande que el habitual movimiento térmico, y se obtiene supersónico de comportamiento.}

Answer 2

Hay muchas diferencias entre la luz y las ondas de sonido se observó en otras respuestas, tales como la imposibilidad de cualquier objeto con un valor distinto de cero resto de la masa de llegar a más velocidad de la luz.

Sin embargo, hay una semejanza, que creo no se ha notado todavía y que es la siguiente: una onda de sonido viaja a la velocidad del sonido no hacer un sonic boom!

Esto es debido a que la onda de sonido, como una onda de luz en los campos EM, es simplemente la propagación de una cantidad fija de energía. No hay nada ", añadiendo que" el sonido o la luz de onda a medida que viaja.

En contraste, un avión que vuela a la velocidad del sonido es constante la adición de energía a la onda que se propaga a través de mecanismos de arrastre. Que la energía no puede propagar más rápido que el objeto de la adición de energía para el campo acústico, con el resultado que usted obtenga un pliegue de una gran cantidad de energía acústica en un estrecho frente de onda. El objeto es mantener el ritmo con el frente de onda, de forma continua la adición de energía. Si el frente de onda puede correr más rápido que el objeto, la energía se extiende sobre un amplio volumen.

Exactamente lo mismo sucede en el phenonemon de radiación Cherenkov, donde la partícula está constantemente añadiendo al campo electromagnético, pero la presencia de dieléctricos de la materia significa que la perturbación se propaga en menos de $c$, por lo que tenemos la misma situación de un cuerpo "mantener" con el frente de onda y continuamente añadiendo a la última de la energía. Radiación Cherenkov, de hecho es un campo electromagnético analógica de sonic boom.

Answer 3

Cuando se comparan las ondas de luz y las ondas de sonido en esto de la moda, tenemos que considerar lo que se está agitando.

• En una onda de sonido, la posición de las moléculas de aire se agita.
• En una onda de luz, la fuerza y la dirección del campo electromagnético se está agitando. Este no ejerce ninguna fuerza sobre las moléculas de aire (de hecho se hace, pero que la fuerza de lo pequeño, y las frecuencias son tan rápidos, que no puede ser ninguna fuerza que ocurren).

En orden para un sonic boom a suceder, un objeto debe moverse a través del aire más rápido que el aire a la molécula de la posición de la onda de propagación, de modo que el borde frontal de la onda se acumula detrás del objeto, que se mueve a la velocidad del sonido, con una muy alta intensidad.

Aunque la luz se mueve de un millón de veces más rápido que el sonido, su impacto en los movimientos de las moléculas de aire es prácticamente 0.