¿Cómo explica la física de partículas el desplazamiento al rojo, considerando que la velocidad de la luz es constante?

Answer 1

Hay que interpretarlo de otra manera. El efecto Doppler se debe al movimiento relativo . Entonces, si bien es correcto decir que el fotón abandona la fuente a la velocidad [math] c [/ math], el observador está en efecto moviéndose con respecto a la fuente. El cambio de frecuencia es lo que un receptor percibe / observa. Por lo tanto, las matemáticas se verían de esta manera, al agitar la mano, veamos la luz como una onda, entonces, ¿cuál es el tiempo entre los ciclos de la onda que llega al observador?

[math] t = \ frac {\ lambda} {c-v_r} [/ math]

donde [math] v_r [/ math] es la velocidad relativa del observador con respecto al receptor. Recuerde, el movimiento de todo excepto la luz solo se define relativamente, por lo que es razonable observar solo la velocidad relativa, [math] v_r [/ math].
Desde [math] \ lambda = \ frac {c} {f_0} [/ math],

[math] t = \ frac {c} {(c-v_r) f_0} [/ math]

En este punto, debemos tener en cuenta los efectos relativistas. Incluyendo la dilatación del tiempo mediante el factor de Lorenz,

[math] t_d = t \ sqrt {1- \ frac {v_r ^ 2} {c ^ 2}} [/ math]

Entonces, la frecuencia observada [math] f_r [/ math] se contraería por este factor,

[math] f_r = \ frac {1} {t_d} \ frac {c} {c-v_r} [/ math]

[math] f_r = \ sqrt {1 – v_r ^ 2 / c ^ 2} \ frac {f_0} {1 – \ frac {v_r} {c}} [/ math]

[math] f_r = \ sqrt {\ frac {{1+ \ frac {v_r} {c}}} {1- \ frac {v_r} {c}}} f_0 [/ math]

Ahora, ¿podemos simplemente mirar la frecuencia y concluir la explicación? Recuerde que la ecuación fundamental de la mecánica cuántica es que la energía de un fotón es [math] h \ times frequency [/ math], por lo que cuando hablamos de cómo está cambiando la frecuencia, estamos en efecto, describiendo completamente el fotón. Un fotón se distingue por su energía y nada más. “Un fotón” es indistinguible de “otro fotón” si tienen la misma energía, es decir, la frecuencia. Entonces, la descripción anterior es cómo la física de partículas describiría el efecto Doppler de las ondas EM, que no es diferente de cómo lo haría la teoría electromagnética (junto con la relatividad especial).

Answer 2

Esta aparente paradoja se resuelve si se tiene en cuenta el efecto relativista de la dilatación del tiempo. Si se mueve, en relación con otro observador, su tiempo cambia, por lo tanto, la frecuencia con la que observa o emite luz cambiará.

Answer 3

Tomaré una grieta en esto, porque no creo que la pregunta se responda mediante el uso de analogías de ondas de agua. En la analogía del agua, puede moverse más rápido que la ola, y la ola solo viaja a la misma velocidad en relación con el medio en el que viaja (el agua). Creo que esto es con lo que el OP está luchando.

La frecuencia (v) de un fotón está relacionada con su energía (E) usando la constante de Plank (h) la fórmula E = hv. Por lo tanto, cuando se produce un desplazamiento al rojo, los fotones de desplazamiento al rojo (v disminuido) en realidad tienen menos energía. Hay una pérdida de energía.

Tenga en cuenta que si en gravedad cero, rebota una pelota de baloncesto en una superficie. Ahora considera que la superficie se está alejando de ti. Habría una pérdida de impulso en comparación con si la superficie estuviera estacionaria. Eso es una pérdida de energía. Para el baloncesto, eso significa una disminución en la velocidad después de que rebote de la superficie móvil.

Recuerde que un fotón debe permanecer viajando a una velocidad constante c. Los fotones tienen una velocidad constante y ninguna masa, pero aún tienen un impulso, como se define en la ecuación E ^ 2 = (pc) ^ 2, donde p es el impulso. Al reflejar un objeto que se está alejando, la disminución del impulso significa una disminución de la energía, lo que significa una disminución de la frecuencia o una mayor longitud de onda.

Pienso en los fotones como partículas que se comportan como ondas, o que demuestran las propiedades de las ondas cuando interactúan en nuestro entorno, en lugar de las ondas mismas.