Veamos algunas formas en que la energía de los fotones puede y no puede cambiar, y por qué.
- Movimiento relativo entre la fuente y el observador: SI
Al igual que el famoso ejemplo del tono de una sirena que cambia a medida que avanza (tono alto a medida que se acerca, bajo cuando sale), el movimiento relativo entre la fuente y el observador de la luz puede hacer que cambie la frecuencia aparente. Puedo aumentar (“blueshift”, causado por la fuente y el observador moviéndose uno hacia el otro) o disminuir (“corrimiento al rojo”, causado por la fuente y el observador alejándose uno del otro).
- Expansión del Universo: SI
Es muy común que las personas (incluyéndome a mí) describan la expansión del Universo como “todo lo que se aleja de todo lo demás” (porque ese es el resultado final que observamos), pero en realidad es un lenguaje ligeramente engañoso; Esto no es solo un tipo de efecto Doppler, porque no es un movimiento real. Más precisamente, en la Relatividad General, la forma en que medimos las distancias entre los puntos puede cambiar con el tiempo . Por lo tanto, las mismas dos ubicaciones en el espacio (no solo los objetos móviles) podrían ser un año luz hoy, y dos años luz mil millones de años a partir de ahora.
Esto significa que, para cosas que están realmente lejos, la distancia medida aumentará proporcionalmente. Sin embargo, las cosas que están lo suficientemente cerca como para estar “unidas gravitacionalmente” se atascan en órbitas con dimensiones físicas de equilibrio; Si la expansión separa un poco estas cosas, la gravedad simplemente las regresa a la distancia que estaban.
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Entonces, ¿por qué cambia esto la energía de un fotón? Hay un montón de matemáticas y antecedentes necesarios para hacerlo correctamente, pero puede consultar la página en cwru.edu para obtener algunos detalles sobre este y el # 1 arriba. Lo que suele decirse es que, a medida que el espacio se estira, la longitud de onda de la luz también se estira, y la luz de longitud de onda más larga tiene menos energía. De hecho, si pasa por todas las matemáticas, esta intuición termina siendo exactamente cuantitativamente correcta (la longitud de onda aumenta exactamente por el mismo factor que las distancias cosmológicas), por lo que es una forma bastante útil de pensar, aunque no sea precisa.
- Diferentes potenciales gravitacionales: SI
En la Relatividad General, cosas como masa, energía, presión, etc. pueden “doblar” el espacio-tiempo, lo que tiene todo tipo de efectos extraños en la forma en que observamos las cosas. Una de las repercusiones matemáticas de esto es el “desplazamiento al rojo gravitacional”. Esencialmente, el tiempo se mueve más lento (generalmente solo un poco) en un campo gravitatorio, por lo que los observadores externos “ven” la fuente del fotón como oscilando más lentamente de lo que lo haría un observador local, y así el observador externo ve una frecuencia más baja (longitud de onda más larga, más baja) energía) de la luz.
- División en múltiples fotones: NO
Si bien esto puede sonar tonto, después de lo que acabo de decir acerca de los fotones que cambian espontáneamente sus longitudes de onda (y, por lo tanto, de energías y momentos), localmente, la energía y el impulso deben conservarse . Para un fotón, energía y momento están relacionados por
[math] E = pc [/ math].
Entonces, digamos que comenzamos con un fotón, con momentum [math] \ vec p_0 [/ math] y energy [math] E_0 = p_0 c [/ math]. Ahora, lo hemos dividido en dos fotones (o más, pero las matemáticas son más simples de esta manera). Estos fotones tienen energías [math] E_1, \ E_2 [/ math] y momenta [math] \ vec p_1, \ \ vec p_2 [/ math].
Por conservación de la energía, tenemos
[math] E_1 + E_2 = E_0 [/ math].
Dividiendo a través de [math] c [/ math],
[math] p_1 + p_2 = p_0 [/ math].
Pero, por conservación del impulso, tenemos
[math] \ vec p_1 + \ vec p_2 = \ vec p_0 [/ math].
¿Cual es la diferencia? Bueno, significa que tenemos que obtener la misma magnitud, ya sea que agreguemos los nuevos momentos como vectores o como escalares. Esto solo es cierto si están apuntando en la misma dirección exacta . En las interacciones de partículas, la velocidad a la que sucede algo depende en parte de cuántas maneras diferentes puede suceder, el llamado “volumen permitido de espacio de fase”. Aquí, el espacio de fase permitido es un punto único (o, supongo, un segmento de línea, ya que la energía se puede distribuir de varias maneras entre los dos fotones). Con un espacio de fase tan pequeño (¡solo una dimensión!), La probabilidad de tal interacción se vuelve exacta o, al menos aproximadamente, cero.
Otras respuestas ya han dicho algunas de estas cosas, ¡pero espero que tenerlo todo explicado en un solo lugar ayude!
(Además, avíseme si tiene preguntas o cree que he cometido un error en algún lugar … Estoy escribiendo esto justo antes de ir a la cama, por lo que no puedo estar totalmente seguro de las cosas en este momento. De nuevo por la mañana solo para volver a verificar.)