A primera vista, la cuestión del peso de la sombra parece una tontería. Incluso si la sombra tiene algún peso, debe ser tan pequeña que solo se pueda medir con la técnica de micropartículas. También hay otra pregunta, ¿la luz tiene peso, ya que, de una forma u otra, debe dar cierto peso a cualquier objeto?
Ambas preguntas parecen extrañas, pero lo suficientemente interesantes, así que decidí resolverlas.
Recordemos primero a Peter Pan, dicen que tenía una sombra viviente, pero era tan insignificante que parecía no pesar más que el humo de un cigarrillo. Peter Pan era, por supuesto, un personaje de ficción, aunque a nivel cuántico puede que no importe, y su creador, J. M. Barry, no tenía suficiente conocimiento científico.
De hecho, utilizando uno de los marcos de referencia, podemos concluir que nuestras sombras en realidad pesan menos que nada. Hace cuatrocientos años, el astrónomo Johannes Kepler notó que las colas de los cometas siempre miran en dirección opuesta al sol y concluyó que los rayos solares ejercen una presión que arrastra las partículas. A finales del siglo XIX, el físico James Clerk Maxwell formuló una ecuación para calcular la presión de la luz, que se confirmó experimentalmente en 1903.
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Espero que entiendas a lo que me refiero. Si estás de pie y los rayos del sol caen sobre ti, creas una zona de presión reducida, cubierta de sombra. En comparación con el resto del paisaje, su sombra (o más exactamente, el área que cubre) pesa menos.
Cuanto menos No mucho. La presión de los rayos del sol es increíblemente pequeña: menos de una milmillonésima Pa en la superficie de la tierra. En otras palabras, se necesitarían varios millones de sombras humanas para dar cuenta de una libra de intensidad luminosa en la sombra. La luz que golpea la ciudad de Chicago tiene una fuerza total de aproximadamente 1334N.
Sin embargo, muy pequeño no significa que no sea importante. Para que la sonda espacial japonesa Hayabusa se acerque al asteroide Itokawa en 2005, flote junto a él y tampoco lo detone ni colisione con él, se tuvo en cuenta la presión de la luz igual al 1 por ciento del empuje del motor de la sonda. Esto se hizo con una precisión increíble, por lo que la sonda pudo aterrizar en el asteroide, recolectar muestras de polvo y regresar a la Tierra en junio de 2010.
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Otro objeto igualmente interesante es el velero solar japonés IKAROS, un sueño de los escritores de ciencia ficción durante al menos 50 años, que finalmente se lanzó en 2017. La idea era que la vela solar usara la presión de la luz, el viento solar (una corriente débil de partículas cargadas que emanaban de la corona solar) y la carga útil para moverla. En junio, IKAROS izó con éxito su vela, un cuadrado de 7,5 micrones de película ultrafina, equipado con un panel solar que sirve como fuente de energía. En julio, la agencia espacial japonesa informó que IKAROS es impulsado hacia adelante por una presión solar de 1,12 mN, que, en principio, no es tanto. Pero este poder es generado por los rayos del sol, ¡y es gratis! ¡Los científicos lo han hecho a una distancia de más de cuatro millones de kilómetros! Merece respeto.
En 2010, investigadores de la Universidad Nacional de Australia demostraron que la luz se puede usar para levantar partículas diminutas y moverlas a 30 cm (12 pulgadas) de distancia. Pensaron que eventualmente podrían hacer lo mismo a 33 pies (10 metros), lo que tampoco parece tan bueno. Sin embargo, si la partícula diminuta es un virus mortal, una célula viva o una molécula de gas que no se puede mover de ninguna otra manera … ya sabes a qué me refiero.
Entonces, ¿es estúpida la pregunta sobre el peso de la sombra? En general, sí. Sin embargo, en busca de una respuesta a esta estúpida pregunta, damos un pequeño pero muy significativo paso, tratando de entender qué es un peso relativamente ligero. Anteriormente, Kepler, Maxwell hicieron esta pregunta y ahora lo somos.
Recuerdo la experiencia de las lecciones de física de la escuela. El rayo de luz se dirigía al impulsor, cuyos pétalos se pintaban alternativamente de blanco y negro. Bajo la influencia de la luz, la turbina comenzó a girar, lo que demostró claramente que la luz tiene un impulso. Esto significa que el flujo luminoso no son solo ondas, sino también partículas-corpúsculos (tiene una naturaleza dual o dual). En cuanto al peso de la sombra, este valor tiene un valor negativo porque la más mínima presión de los rayos de luz es asumida por el cuerpo que proyecta la sombra.
Hay toda una discusión sobre la sombra en la pregunta:
- El peso (en física) es la fuerza con la que el cuerpo presiona el soporte. Suele confundirse con masa, ya que en el campo gravitacional de la Tierra el peso es proporcional a la masa y el coeficiente de proporcionalidad (aceleración de caída libre) prácticamente no varía. También en un sistema giratorio no inercial (por ejemplo, en una estación espacial giratoria) la fuerza centrífuga (y con ella el peso de los objetos) será proporcional a su masa, pero el coeficiente de proporcionalidad será diferente. Ahora sobre la sombra. Por supuesto que no es un objeto. Y ella no tiene misa. Sin embargo, en cierto sentido, la sombra tiene peso. ¡Solo él es negativo! Después de todo, una sombra es la ausencia de luz debido a un obstáculo que se interpuso en su camino. La luz es una corriente de fotones con masa y velocidad, y con ellos impulso. Si los fotones volaran, transmitirían sus impulsos al "soporte" iluminado, ejerciendo una presión continua. Y la presiónel área multiplicada es la fuerza. Podemos decir el peso de la luz. Bueno, la sombra es la ausencia tanto de luz como de su "peso". Es decir, en comparación con la iluminación, la sombra parece tener un peso "negativo", aproximadamente como un "agujero" (falta de un electrón cargado negativamente en un semiconductor) "tiene" una carga positiva.
- ¿Qué es absurdo? Los fotones no tienen masa, tienen momento, y si te guiamos por la fórmula E = mc ^ 2, entonces para un fotón la energía será igual a E = pc, porque los fotones no tienen ni pueden tener masa en reposo. Ahora sobre la masa negativa. La masa negativa, hipotéticamente, está poseída por partículas de materia exótica. Y esto se manifiesta en el hecho (no olvides que la masa es una medida de inercia) de que si "empujas" esta partícula, volará en la otra dirección. No tiene nada que ver con este problema. Si sigues tu lógica callejera, entonces todo lo que parece ser puede llamarse negativo, pero hay algún obstáculo para esto. También se divirtieron con suposiciones tan crudas como: el momento es masa, y la masa es fuerza, y la fuerza es presión y la presión es peso. Con este enfoque, puedes probar cualquier cosa. Incluso hay un nombre para esto (no lo recuerdo),cuando se toma como base un juicio falso (verdad) y de él se deriva la afirmación necesaria. Podrías ser un buen teórico de la conspiración.
- No hay impulso sin masa. La energía sin masa tampoco existe. No se dijo una palabra sobre la misa. El peso no es masa. Esto se ha dicho desde el principio. El "peso" de la sombra es negativo (en cierto sentido). No había sombra de una "masa". Representar la ausencia de algo como la presencia de algo directamente opuesto es una tradición conveniente, de larga data y ampliamente utilizada en física. No me refiero accidentalmente a "huecos" (falta de electrones) en semiconductores. Es conveniente considerarlos (¡y se consideran!) Como "portadores de carga" con la subformidad de los electrones, pero el signo contrario de la carga. Porque no trabajé para enseñarte los conceptos básicos de la física.
- Es difícil ignorar una pregunta que tiene una respuesta fundamentalmente incorrecta colgando en la parte superior. El peso es una magnitud física vectorial que caracteriza la fuerza de acción de un cuerpo sobre un soporte. P = m * g. Se ve que el peso puede ser negativo, por ejemplo, si la densidad del cuerpo es menor que la densidad del medio (la fuerza de flotabilidad actúa sobre el cuerpo). El peso negativo no significa su ausencia. Ahora un poco sobre lo que es una sombra. La sombra es un fenómeno óptico que ocurre bajo diferentes condiciones de iluminación. Y esto no significa una ausencia total de luz. Es solo que una superficie es más brillante (más fotones golpean y se reflejan en ella) y la otra es más tenue (sombra). Sabemos que los fotones no tienen masa (si un fotón tuviera masa, entonces su deflexión en el campo gravitacional tendría que depender de su frecuencia, pero no observamos esto, según todos los cálculos, es acromático hasta ahora),y por lo tanto no tienen peso, pero tienen energía e impulso. Dado que los fotones tienen impulso, la luz que cae sobre un cuerpo ejerce presión sobre él (la teoría cuántica de la luz explica la presión de la luz como resultado de la transferencia de impulso de los fotones a los átomos o moléculas de una sustancia), pero no puede identificarse con el peso de ninguna manera. Todo lo anterior es un comentario sobre la respuesta de Nekto. De hecho, la sombra no tiene peso, porque es solo un fenómeno óptico, como el desborde de gasolina (interferencia en películas delgadas) o su reflejo en el agua.pero no puede identificarse con el peso de ninguna manera. Todo lo anterior es un comentario sobre la respuesta de Nekto. De hecho, la sombra no tiene peso, porque es solo un fenómeno óptico, como el desborde de gasolina (interferencia en películas delgadas) o su reflejo en el agua.pero no puede identificarse con el peso de ninguna manera. Todo lo anterior es un comentario sobre la respuesta de Nekto. De hecho, la sombra no tiene peso, porque es solo un fenómeno óptico, como el desborde de gasolina (interferencia en películas delgadas) o su reflejo en el agua.
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- ¿Prueba algo la independencia de frecuencia? En la mecánica clásica, la desviación angular de la luz también es independiente de la frecuencia (deltaV / c) = (2 * G * M) / (R * c2). En SRT habrá (deltaV / c) = (4 * G * M) / (R * c2), es decir, el doble, pero no se agregan / agregan dependencias. Dudo que algún parámetro del sistema pueda desaparecer de un cambio de terminología. Es decir, el peso de la luz no debería ir a ninguna parte. Puede que sea necesario redefinirlo de alguna manera, pero no debería ser que en la versión anterior no fuera cero y en la nueva sea cero. Además, hay un impulso.
¿CUÁNTO PESO EL LIGERO? Tanto como su energía
Los fotones, partículas de luz, no tienen masa en reposo y solo existen en movimiento a la velocidad de la luz. Por tanto, no se puede pesar un fotón. Sin embargo, las paredes de cualquier recipiente emiten radiación térmica, llenando el volumen interior de fotones. Se mueven aleatoriamente en todas las direcciones y su velocidad promedio es cero. Como dicen los físicos, un gas fotónico tiene una masa correspondiente a su energía (E = mc2) y, en principio, se puede pesar. Por ejemplo, la radiación de calor dentro de un recipiente de un litro pesa aproximadamente un átomo de carbono. La masa de radiación crece rápidamente con la temperatura, pero solo a mil millones de grados será igual en densidad a la sustancia a la que estamos acostumbrados. Además, esta radiación en sí ya no será luz ordinaria, sino rayos X duros.
Es fácil de averiguar. Corremos a la cocina, tomamos una balanza electrónica y, hacia el mediodía, la colocamos directamente perpendicular a la luz del sol. Suponiendo que estamos limpios y que toda la luz se refleja completamente en la superficie brillante de la balanza, tomamos de la tabla ru.wikipedia.org el valor numérico de la presión del Sol en plena reflexión (9,08 microNewtons por metro cuadrado) y lo multiplicamos por el área de la superficie de trabajo de nuestros pesos (~ 0,11 metro cuadrado). Obtenemos ~ 100 nanoNewtons, la fuerza de la presión del viento solar en la balanza. Traducimos esto a las unidades conocidas por todos (kilogramos), dividiendo el resultado por la aceleración de la gravedad (9,8 m / s ^ 2). ¿Es este el resultado que veríamos en nuestra balanza de cocina, pesando la luz del sol, ~ 10 nanogramos?
Contrariamente a la opinión bastante común, existe un análogo de la masa de luz, y es bastante significativo físicamente. Hagamos un experimento mental. Digamos que tiene una cámara con paredes internas espejadas, absolutamente reflectantes y una masa conocida con precisión. Y ahora deje que un poderoso rayo de algún láser entre por un corto tiempo a través del agujero, poco después de lo cual el agujero se cierra. La luz está en la cámara, viajando de pared a pared.
Entonces, si existiera la posibilidad de mediciones ultraprecisas, se descubriría que la masa de la cámara con la luz atrapada en su interior habría aumentado. En particular, se volverá más pesado. Y su inercia crecerá. Y gravedad (!). Tradicionalmente, todas estas propiedades se atribuyen específicamente a la masa.
La prueba formal es al menos esta: que los electrones y positrones permanezcan en la cámara durante algún tiempo; Naturalmente, aumentan la masa total. Poco después, todos se aniquilan, y tenemos una cámara con gamma quanta. ¡Está claro que la masa de la cámara no ha cambiado!
¿Cuánto pesa el universo?
Puede intentar calcular cuánto pesa el universo determinando la masa de los cuásares. Al estudiar las galaxias vecinas, los investigadores han determinado que existe una correlación entre la masa del agujero negro y la galaxia. Por lo general, la masa de un agujero negro es un pequeño porcentaje de la masa de un sistema estelar, que oscila entre aproximadamente el 0,14% y el 0,5%. Si esta relación es cierta en el Universo temprano, la masa de la Galaxia debería ser equivalente a los asombrosos billones de masas solares en las estrellas. Sin mencionar su materia constituyente oscura, que es, con mucho, la parte más masiva de todos los sistemas estelares. Aún no es posible determinar la masa de otras galaxias si existen en el Universo moderno. Pero si existen galaxias en el rango de masa predicho, entonces se detectarán por primera vez en esta era.
El estudio de la masividad de la galaxia proporcionará información sobre cómo crece en el universo. Su crecimiento es de unos 2000 km por día. Hay una cifra completamente indemostrable de que la masa de la Galaxia está en algún lugar de la quincuagésima potencia de toneladas. La luminosidad de los cuásares distantes y el peso del universo.
¿Por qué existe una correlación entre la masa de un agujero negro y una galaxia? ¿Cuál es la relación entre la acumulación de agujeros negros y la formación de estrellas? Los investigadores calcularon que la luminosidad de los quásares depende a la velocidad máxima del límite de Eddington. El límite de Eddington existe porque cuanto más rápido absorbe el cuerpo el agujero negro, más fricción y, por lo tanto, se produce más luz en el disco de acreción. A medida que aumenta la tasa de consumo de un agujero negro, aumenta la cantidad de energía de radiación emitida, lo que a su vez ralentiza la tasa de consumo. Se alcanza el límite de Eddington.
El límite de Eddington es el valor máximo crítico de la potencia de radiación y la luminosidad. Probado por el astrofísico inglés Arthur Eddington como condición para el equilibrio de empuje, presión y radiación. Se emite luz adicional hacia el exterior, ejerciendo presión sobre el material que cae y ralentizándolo. Por contradictorio que parezca, la luz en realidad ejerce presión sobre los objetos con suficiente luz y equivale a una potencia significativa.
Los científicos forman algunos modelos convincentes sobre tales cuestiones sobre el papel de los agujeros negros, pero no hay consenso sobre este tema. Si el cuásar es un laboratorio único para el estudio, entonces el agujero negro del cuásar y la galaxia se desarrollan juntos.
La luz de un cuásar también se puede utilizar para aprender sobre el universo de otras formas. El brillo permitirá a los investigadores sondear el entorno intergaláctico como nunca antes. El medio intergaláctico es la distribución de gas y polvo entre galaxias que contienen hidrógeno, helio y varios metales (en condiciones astrofísicas, todos los elementos de helio anteriores se conocen como "metales"). La luz de un quásar debe viajar lo suficiente antes de llegar a la Tierra. Cuando la luz viaja a través del gas, algunas longitudes de onda de luz penetran el gas mejor que otras y algunos elementos bloquean ciertas longitudes de onda. Por ejemplo, al estudiar el espectro de un objeto y ver que faltan algunas longitudes de onda en el espectro, los investigadores pueden aprender sobre el contenido de gas. Sin embargo, el proceso se vuelve más difícil, especialmente a distancias tan largas. Con una luz más tenue (cambio de potencia), es más difícil distinguir entre estos espacios o líneas en el espectro.
El brillo del cuásar proporcionará una medición más clara del entorno intergaláctico. Habiendo determinado el brillo del quásar, se puede responder a la pregunta: "¿Cuánto pesa el Universo?" Y también, dado que los metales en el medio intergaláctico se produjeron al fusionar los núcleos de las estrellas, las mediciones de estos elementos pueden ayudar a los investigadores a aprender sobre los procesos de formación de estrellas en el Universo.
