¿Por qué los fotones pueden alcanzar una velocidad tan alta?

Los fotones no tienen “elección” en la materia. Todas las partículas sin masa son no inerciales, lo que significa que no hay marco en el que estén en reposo. Como tal, todas las partículas sin masa se mueven al “tipo de cambio” entre el espacio y el tiempo, que es, prácticamente por definición, la velocidad de la luz. En el lenguaje de la relatividad, las partículas sin masa se propagan a lo largo de “geodésicas nulas” del espacio-tiempo (es decir, caminos del espacio-tiempo cuya longitud es cero, donde la “longitud” está determinada por la “métrica”).

La métrica del espacio-tiempo en la relatividad especial es

[matemáticas] \ displaystyle {ds ^ 2 = -c ^ 2dt ^ 2 + dx ^ 2 + dy ^ 2 + dz ^ 2} [/ matemáticas],

donde [math] ds [/ math] es la longitud de un intervalo espacio-tiempo infinitesimal, [math] dt [/ math] es un intervalo de tiempo infinitesimal, y [math] \ sqrt {dx ^ 2 + dy ^ 2 + dz ^ 2 } [/ math] es un intervalo de longitud infinitesimal. Debido al signo negativo delante del término [math] dt ^ 2 [/ math], existen intervalos de espacio-tiempo de longitud cero con longitud e intervalos de tiempo distintos de cero. El “tipo de cambio” entre el espacio y el tiempo es [matemática] c ^ 2 [/ matemática], donde las unidades de [matemática] c [/ matemática] hacen que las unidades de toda la ecuación funcionen (ya que [matemática] dx [/ matemática], [matemática] dy [/ matemática], [matemática] dz [/ matemática] y [matemática] ds [/ matemática] son ​​longitudes, pero [matemática] dt [/ matemática] es un tiempo, entonces [matemática] c [/ math] debe ser una longitud dividida por el tiempo: una velocidad).

No “alcanzan” altas velocidades. Un fotón es (para ser poético) una onda en el espacio-tiempo; La naturaleza de esa onda es que se propaga a la velocidad de la luz.

Es como preguntar “¿Cómo logra el agua la humedad?”

“¿Por qué los fotones pueden alcanzar una velocidad tan alta?”

Bueno, en realidad no lo “logran”. Tienen esta velocidad a la que van, denotada c , que es la “velocidad máxima” en el universo, y no aceleran para “alcanzar” esa velocidad. Nunca hay un momento en que un fotón determinado vaya a una velocidad distinta de c: nace a esa velocidad y nunca se puede ralentizar. Solo se puede destruir, en interacción con una partícula cargada. En ese caso, su energía se agrega a la partícula.

De todos modos, los fotones van a la velocidad c porque no tienen masa .

¿Y por qué es eso? Es porque c es la velocidad de las partículas sin masa. Y ahí lo tienes :-).

Respuesta corta: Partícula sin masa en reposo.

Respuesta larga: le recomiendo que comience su búsqueda de esta respuesta aquí .