Secundaria Pequeña duda sobre el fotón

[Weip]

Hola, tengo una duda sobre el fotón:
¿Porqué al fotón le afecta la gravedad?
Según he leído la masa del fotón es 0, y la gravedad solo afecta a partículas con masa (La Ley de gravitación universal de Newton lo dice así). ¿Es que la gravedad afecta también a la energía?
No he dado nunca relatividad, así que no conozco bien las ecuaciones que utiliza y por eso os pregunto a vosotros, que sois más expertos en esto.

Gracias por adelantado.

[xXminombreXx]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

Bueno, esto creo yo, depende de la curvatura del espacio que se produce por la presencia de objetos en masa, y hace que los fotones sigan esa curvatura. Se explica bajo la relatividad general, cuyas matemáticas son por lo visto complejas. Yo no lo he dado.

[Kant]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

En temas de Relatividad General (que es la que estudia lo que tu propones entre otras cosas) el universo se puede considerar como el espacio-tiempo que es para que te hagas a la idea de manera simplista como una sabana extendida o una colchoneta de la típica atracción de una feria. Si tu colocas un cuerpo con cierta masa verás como la parte donde esta se estira hacia abajo, se deforma. Si luego tiras a ras de la sábana cualquier cosa (una moneda, una chapa) intentará acabar en la parte donde has puesto esa masa.

En el universo ocurre de la misma manera. Los planetas y otros cuerpos celestes ejercen tirones gravitacionales de la misma manera que te he explicado. Entonces, si pasa un meteorito cerca de un planeta se ve afectado por es campo de gravedad y atraido hacia a el con mucha fuerza. Lo mismo ocurre con los fotones. No es cuestión de masa en este caso.

[reti]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

Yo tampoco se Relatividad General pero se me ocurre un razonamiento que justifica que al foton, tenga o no tenga masa, debe de afectarle la gravedad.

Supon dos atomos en el pozo de un potencial gravitatorio uno dentro del pozo y otro fuera, por ejemplo en la luna. Si el atomo de la superficie emite energia en forma de luz, y esta es absobida por otro atomo ya lejos de la superficie de la luna tendras una paradoja si no supones que el foton se ve afectado por la gravedad. Hay un paso de energia desde el atomo de la superficie hacia el atomo de fuera y ahora este debe de "pesar" o tener mas masa que antes, lo que significa que en su conjunto el sistema ha ganado energia potencial gravitatoria. Esa energia dede de haber salido de algun sitio y el unico candidato es el foton en su viaje hacia arriva.

Para que todo cuadre debes suponer que el foton en la subida pierde algo de energia.

Justificar la curvatura del foton en un campo gravitatorio es dificil sin recurrir al "principio de equivalencia" de Einstein pero se puede intentar aceptando lo que antes se ha dicho de que el foton pierde energia al salir de un campo gravitorio.

[arivasm]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

Según he leído la masa del fotón es 0

La masa *en reposo* del fotón es 0. En movimiento es $h\nu/c^2$

[[Beto]]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

La masa *en reposo* del fotón es 0. En movimiento es $h\nu/c^2$

Considerar eso no es muy adecuado, es mejor decir que la masa de una partícula es una sola "$m$" y para crearla se requiere una energía igual a $E=mc^2$, cuando se mueve incrementa su energía es decir la energía total de una partícula es la energía necesaria para que exista más su energía asociada a su movimiento, en el caso del fotón solamente tiene energía. Verlo desde este punto de vista es mucho mejor ya que es mejor considerar a la masa como una sola y que además sea un invariante. Además que noto que colocas las comillas debido a que un fotón siempre estará en movimiento y a la misma velocidad respecto de cualquier S.R.I. asi que ese es un motivo más por el cual no es conveniente considerar a la masa como algo variable.

Un saludo

[arivasm]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

Lo que señalas es un punto de vista perfectamente válido, como también lo es el de la equivalencia completa entre los conceptos de masa y energía (que además, en mi opinión, es más asequible para niveles de iniciación). De todos modos, mi intención era simplemente completar la afirmación de Weip, al menos en la línea meramente divulgativa que veo en las respuestas. Ya de paso, añadiré que, por cierto, la masa (o su ausencia) de la partícula no sería la clave de lo que pregunta, al menos desde el punto de vista de la RG, toda vez que la explicación que busca tiene relación con las geodésicas del espacio-tiempo, de manera que la masa de las partículas no determina su trayectoria, como bien ha señalado xXminombreXx.

[guibix]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

Lo que no se acaba de decir es que no es la masa la causante de la deformación espacial, es la energía. Lo único que pasa es que la gravedad es tan débil y la masa contiene tanta energía que sólo percibimos efectos gravitatorios en las masas. En RG ya no se definen masas gravitatorias e inerciales, la masa se define como la cantidad de energía mínima que contiene una partícula en reposo $m=E/c^2$.

[pod]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

El debate sobre la definición de masa es un clásico del foro y no lo vamos a resolver aquí (ni en ningún sitio, me parece ).

En cualquier caso, no es necesario centrarse en una interpretación u otra para responder esta pregunta. La posible paradoja proviene de pensar que la gravedad depende sólo de la masa, y eso es incorrecto en relatividad. Es una aproximación que se hace en la física de Newton. En relatividad, la gravedad se acopla con lo que se llama "tensor de energía-momento", que incluye todas las fuentes de... energía y momento (que original, ¿no?). En mecánica de Newton, la masa es la principal fuente de energía (comparar $m c^2$ con la energía cinética, potencial, o lo que sea). Por eso, la aproximación de Newton es buena en contextos de bajas velocidades y curvaturas.

[arivasm]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

De todos modos, recordemos que la pregunta original se refería no a qué causa la gravedad, sino si es necesario que una partícula posea masa para que sea afectada por la gravedad, y Weip ponía como ejemplo el caso del fotón. Por eso, sin entrar en las cuestiones de fondo que señalan Beto y pod, y teniendo en cuenta que el nivel del hilo es de secundaria, yo sugeriría contestarle que la masa de la partícula no interviene sobre su movimiento en un campo gravitatorio (o en un espaciotiempo deformado, da igual) y, ya de paso, aclararle que el ejemplo del fotón (moviéndose, por supuesto, en un campo gravitatorio) tampoco sería el de una partícula sin masa.

[Weip]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

Muchas gracias por todas vuestras resuestas, la verdad es que no esperaba tantas.
He leído todo, así que vamos por partes:

Para Kant: Entonces, según la analogia de la sábana, si consideramos a la moneda como un fotón, ¿El fotón iría hacia el cuerpo o centro de masas que esté ocasionando el campo? Es que yo siempre me había imaginado que el fotón seguiría una línea recta siguiendo la curvatura, pero pasando de largo del campo, no sé porque me pensaba eso.

Para arivasm: Si la masa en reposo del fotón es cero, ¿Significa eso que si lo colocamos en un campo gravitatorio, el fotón se vería afectado por él, aunque no tuviera masa? Esta pregunta tiene conexión con la anterior. Entonces, según lo que has dicho, un fotón en movimiento provoca una deformación en el espacio-tiempo, ¿no? Es decir, que crea un campo gravitatorio.

Para [Beto]: ¿Un fotón no puede estar en reposo? Según lo que dices, un fotón estará siempre en movimiento. Por cierto, una pregunta que se me acaba de ocurrir: La máxima velocidad que puede alcanzar una partícula es c, pero por ejemplo, ¿El fotón puede ir a una velocidad que no sea c? A esta pregunta yo creo que no, pero me gustaria que me la respondieseis por si mi idea es equivocada. Si "le damos aceleración" (Creo que esta expersión no es correcta, pero para entendernos) a un fotón, ¿Inmediatamente será su velocidad c?

Para guibix: Entonces la gravedad afecta a la energía, y no a la masa. Es lo que pensé al principio al plantearme mi cuestión sobre el fotón, gracias por comfirmarmelo. Entonces, un fotón en reposo (Con masa 0) ejerce un campo gravitatorio?

Dos ultimas preguntas, aunque estas no son importantes, solo curiosidad:
Según la famosa equación E=mc^2, si la masa del fotón (en reposo) es 0, ¿Su energía en reposo también es 0?

La otra supongo que es difícil contestar, pero me pica la curiosidad:
El gravitón se supone que es la particula portadora de la fuerza de la gravedad. ¿Pero un gravitón puede interacionar gravitacionalmente con otro gravitón? Es decir, al gravitón (Con masa en reposo 0, creo) también se le puede aplicar lo que estamos diciendo para el fotón?

Muchas gracias pro las respuestas, espero que no os importe responder a mi avalancha de preguntas.

Gracias por adelantado.

[pod]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

Según la famosa equación E=mc^2, si la masa del fotón (en reposo) es 0, ¿Su energía en reposo también es 0?

Correcto. Este es una de las formas de argumentar que el fotón no puede estar en reposo. Si lo estuviera, tendría energía cinética igual a cero; y por lo tanto la energía total también sería cero. Algo sin energía no puede existir, así que el fotón tiene que estar en movimiento siempre, en todos los sistemas de referencia.

Esto es un problema (aparente), porque en nuestra vida cotidiana estamos acostumbrados que siempre hay un sistema de referencia donde "algo" está en reposo. Por ejemplo, para los viajeros de un avión, las alas del mismo están en reposo (relativo). Dicho de otra forma, siempre hay un sistema de referencia donde un objeto está en reposo relativo. Si algo se está moviendo, yo siempre puedo "acelerar" en esa dirección para ponerme en reposo relativo (esto es lo que llamamos suma de velocidades).

Esta aparente paradoja es una de las más difíciles de asimilar de buenas a primeras en relatividad. Tienes que imaginártelo muchas veces. Resulta que la suma de velocidades sólo es una aproximación. Cuando intervienen velocidades muy altas, entonces tenemos otra fórmula más complicada (no mucho, la verdad) de sumar velocidades. Según esta fórmula relativista, si intentamos "sumar" o "restar" cualquier velocidad a la velocidad de la luz, siempre nos sale la velocidad de la luz. Ni más, ni menos.

Es decir, si algo se mueve a la velocidad de la luz, siempre se moverá a esa velocidad en todos los sistemas de referencia. En particular, no hay ningún sistema de referencia en que esté en reposo. Y no hay ninguna otra velocidad que tenga esta propiedad.

Por lo tanto, en base a lo que acabamos de decir (que ya se que cuesta de meter en la mollera, no te preocupes si no lo "ves"), un fotón sólo puede ir a la velocidad de la luz. De lo contrario, siempre habría un sistema de refrencia donde el fotón estaría en reposo, con energía total cero, lo cual es imposible.

El gravitón se supone que es la particula portadora de la fuerza de la gravedad. ¿Pero un gravitón puede interacionar gravitacionalmente con otro gravitón? Es decir, al gravitón (Con masa en reposo 0, creo) también se le puede aplicar lo que estamos diciendo para el fotón?

Es muy sencilla de responder: Sí.

No es un caso único de partícula que porta una interacción y a la vez interacciona mediante esa misma interacción. Por ejemplo, la fuerza nuclear fuerte se propaga mediante partículas llamadas gluones. Los gluones también interaccionan fuertemente entre ellos.

De hecho, el fotón es el único caso en que no se produce esta especie de interacción recursiva. El fotón porta la interacción electromagnética, pero como el fotón en si es neutro dos fotones no interaccionan electromagnéticamente entre si.

el nivel del hilo es de secundaria,

Mentir para simplificar no arregla nada.


PD: Es un dicho, que nadie venga con que le estoy llamando mentiroso o que ha dicho algo incorrecto...

[Kant]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

Muchas gracias por todas vuestras resuestas, la verdad es que no esperaba tantas.
He leído todo, así que vamos por partes:

Para Kant: Entonces, según la analogia de la sábana, si consideramos a la moneda como un fotón, ¿El fotón iría hacia el cuerpo o centro de masas que esté ocasionando el campo? Es que yo siempre me había imaginado que el fotón seguiría una línea recta siguiendo la curvatura, pero pasando de largo del campo, no sé porque me pensaba eso.

Su tendencia es ir para esa dirección pero si tiene suficiente velocidad escapa de ese "campo". Te lo puedes imaginar como un meteorito que está a punto de entrar en la órbita de un planea y este le empieza a atraer. Si no es suficientemente rápido acabará colapsando con el planeta, si es suficientemente rápido podrá tener una órbita estable y si es demasiado rápido se desviará pero seguirá su curso.

[Weip]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

Para pod:¿Podrias poner la fórmula relativista de suma de velocidades? La he buscado por Internet y no sé cual es, es que quiero entenderla (O si más no intentar).
Entonces, de acuerdo con lo que has dicho, ¿Un gravitón también va siempre a c? Lo de los gravitones lo preguntaba porque la fuerza de la gravedad es "especial" por decirlo de alguna manera, y pensaba que alomejor no se comportaba "como cabe esperar".
Lo de mentir para simplificar no arregla nada, gracias por decirlo. Muchas veces se dicen cosas incorrectas para simplificar y luego son cosas muy diferentes, así que yo prefiero que me digais lo que creeis, que aunque puede que no me pueda enterar mucho, quiero intentar comprender las cosas tal como son.

Para Kant: Gracias por la aclaración, ahora si lo entiendo.

[pod]

Re: Pequeña duda sobre el fotón

Para pod:¿Podrias poner la fórmula relativista de suma de velocidades? La he buscado por Internet y no sé cual es, es que quiero entenderla (O si más no intentar).

La forma más sencilla, válida para problemas en una dimensión (todo se mueve en la misma dirección) es:

$$v' = \dfrac{v + u}{1 + \frac{v u}{c^2}} .$$

Donde v es la velocidad de la partícula en un sistema de referencia, y v' la velocidad de la misma partícula en el otro sistema de referencia; u es la velocidad relativa de los dos sistemas de referencia (fíjate que en mecánica de Newton y Galileo haríamos $v' = v+u$, suma de velocidades); y por último, c es la velocidad de la luz.

Prueba a poner v = c y simplifica la ecuación (pista: multiplica por c arriba y abajo).

Entonces, de acuerdo con lo que has dicho, ¿Un gravitón también va siempre a c? Lo de los gravitones lo preguntaba porque la fuerza de la gravedad es "especial" por decirlo de alguna manera, y pensaba que alomejor no se comportaba "como cabe esperar".

En cuanto a la relatividad, los fotones, los gravitones y los gluones (las tres partículas sin masa del modelo estándar) se comportan de la misma forma. Las diferencias vienen en las interacciones (cuánticas) de estas partículas entre si y con el resto.

La principal dificultad con el gravitón es que no tenemos una teoría que explique correctamente sus interacciones cuánticas; mientras que por los otros dos sí.