Si tenemos un espejo esférico perfectamente reflectante y disparamos un fotón, ¿el fotón “vive” para siempre?

Si. Pero una manera más fácil de hacer que un fotón viva para siempre es apuntarlo al espacio. La mayor parte del espacio es oscuro, y si elige un área que es negra en la imagen de Hubble Deep Space (que se muestra a continuación), creemos que no afectará a nada. Casi todas esas manchas en la imagen son galaxias, y hay muy poco entre ellas para que los fotones golpeen que las detendrían (aunque podrían desviarse ligeramente).

Tan vacilante como estoy para estar en desacuerdo con todos los demás (especialmente las personas que hacen esto para ganarse la vida, como Richard Muller), siento que debo hacerlo.

La respuesta es: No, el fotón no vive para siempre. El fotón vive por cero segundos. Menos que eso, literalmente no hay tiempo en absoluto. Por ejemplo, los fotones en el fondo cósmico de microondas, que se emitieron hace 13.7 B años y han volado literalmente a través de todo el universo observable, han experimentado exactamente cero segundos desde que se crearon por primera vez.

Estoy hablando desde la perspectiva (línea de tiempo) del fotón. Parece la perspectiva más importante, ya que usted preguntó cuánto tiempo “viviría” el fotón. No transcurre el tiempo desde la perspectiva del fotón. En el instante de su creación, viaja a la velocidad de la luz, por definición. A esa velocidad, la dilatación del tiempo es infinita, por lo que no pasa tiempo para el fotón. Esta es una de las formas en que demostramos que los neutrinos tienen masa, cambian con el tiempo. Un fotón no puede hacer eso, ya que no experimenta el tiempo, y lleva tiempo cambiarlo.

Entonces el fotón “vive” sin tiempo.

Desde su perspectiva, el dispositivo imaginario (y físicamente imposible) haría que el fotón viviera hasta que el dispositivo se degradara y el fotón escapara, eventualmente golpeando otra cosa.

EDITAR: hizo la respuesta un poco más clara, agregó la parte CMB y corrigió un error tipográfico.

Como muchos han dicho, esto funcionaría para espejos perfectos, pero no existe un material perfectamente reflectante. Sin embargo, podemos hacerlo mejor que los espejos si aprovechamos una propiedad llamada reflexión interna total .

¿Alguna vez has nadado bajo el agua e intentado mirar al cielo? Si está mirando hacia arriba, puede ver hacia afuera, pero en ciertos ángulos, notará que el fondo de la piscina se refleja hacia usted. Ese es el fenómeno de la reflexión interna total. La luz en un material de mayor índice de refracción rebota hacia adentro si está en un ángulo oblicuo.

Los cables de fibra óptica aprovechan este fenómeno para canalizar la luz a lo largo de decenas de kilómetros. Con los repetidores, esto hace posible la comunicación de gran ancho de banda en continentes y océanos:

Pero, ¿qué pasa si queremos mantener la luz rebotando en una pequeña cavidad? Esto también es posible. Solo necesitamos doblar el material de alto índice en una esfera, anillo, rosquilla u otra forma circular:

¡La luz dentro de estas cavidades puede rebotar más de 10 ^ 8 veces antes de descomponerse! Esto es útil para la espectroscopia. Incluso pequeños cambios en la superficie del resonador pueden hacer que la luz rebote de manera diferente, haciendo posible la detección de eventos de unión sutiles.

La explicación dada en la página “explicar esas cosas” es engañosa. Es cierto que la conservación de la energía está funcionando, pero no puede distinguir entre dos formas diferentes en que un fotón puede reflejarse desde una superficie. Estas dos formas son la diferencia entre un espejo y una hoja de papel blanco. (En realidad, hay más que esas dos formas de reflejar un fotón, pero esas son las más familiares). Tanto los espejos como el papel blanco reflejan todos los fotones que inciden en ellos, y así conservan la energía. La diferencia entre un espejo y un documento técnico es difícil de explicar correctamente, por lo que comenzaré con una explicación casi pero no del todo correcta y luego le daré la explicación correcta pero más difícil de entender.

La explicación no bastante correcta es que el papel blanco realmente absorbe el fotón y lo vuelve a emitir, mientras que un espejo no lo hace. Cuando la luz rebota en un espejo, sigue siendo una onda y, por lo tanto, pasa por el proceso de reflexión sin tomar una ubicación definida. Cuando la luz rebota en una hoja de papel blanca, en realidad es absorbida por el papel y, por lo tanto, se convierte en una partícula y, por lo tanto, adquiere una ubicación definida antes de volver a emitirse. Es por eso que si apuntas un puntero láser en una hoja de papel blanco, ves un punto de luz en el papel , mientras que cuando apuntas un puntero láser en un espejo, no lo haces.

Ahora para la respuesta realmente correcta (o, si lo prefiere, la razón por la cual el papel parece absorber un fotón antes de volver a emitirlo). Los espejos están hechos de superficies metálicas lisas. Los átomos de metal tienen muchos electrones libres en sus capas externas, por lo que cuando una onda electromagnética los golpea, responden de una manera que refleja la onda. Todos los átomos en el espejo responden simultáneamente, por lo que la onda se refleja como una onda.

El papel blanco está hecho (típicamente) de celulosa, que es una molécula compleja hecha de átomos no metálicos (carbono, oxígeno, nitrógeno). Cuando la luz golpea esta estructura compleja, los electrones en las moléculas de celulosa responden de formas muy complejas que en realidad no se comprenden completamente, por lo que la onda electromagnética rebota de formas muy complejas. Como resultado de este complejo rebote, el fotón se somete a un proceso llamado “decoherencia cuántica”, que hace que deje de actuar como una onda y comience a actuar como una partícula y, por lo tanto, tome una posición particular en el papel. En el caso del papel blanco, toda esa energía finalmente se reemite, pero debido a la decoherencia, cada fotón reemitido parece provenir de una ubicación particular. Para los objetos no blancos, la historia es básicamente la misma, excepto que la estructura de las moléculas reemiten selectivamente algunas longitudes de onda más que otras. La energía restante se disipa en el objeto como calor.

Según la Teoría especial de la relación de Einstein, todos los objetos en el universo siempre viajan a través del espacio-tiempo a una velocidad fija: la de la luz.
La velocidad de un objeto a través del espacio es, por lo tanto, apenas un reflejo de cuánto se desvía su movimiento a través del tiempo.

Puedes ver en la imagen de arriba.
Si algo (fotón en este caso) viaja con c. Es decir, la corriente de luz que lo hace, no viajará a través del tiempo en absoluto.

Entonces los fotones no envejecen ni un poco.
No experimentan tiempo en absoluto.

Esto está relacionado con una de mis respuestas anteriores.

Sí, este es el principio básico de las cavidades ópticas. En el caso más simple, como una clase de cavidades llamadas cavidades Fabry Perot, los fotones están confinados por dos espejos altamente reflectantes por reflejos reflejados.

En el campo de la física atómica, donde trabajé, usamos regularmente “superreductores” con una reflectividad del 99.9996%, donde un fotón puede quedar atrapado casi hasta unos pocos microsegundos entre los espejos. Obviamente, no puede tener ambos espejos con reflejo perfecto porque entonces no puede insertar el fotón entre ellos. Los espejos con una reflectividad tan alta tienen superficies extremadamente lisas con una rugosidad de pocos angstroms y dieléctricos de varias capas para la superficie reflectante.
Se utilizan principalmente para mejorar la interacción entre un solo átomo y un solo fotón. El fotón queda atrapado dentro de una cavidad en la que también se localiza un único átomo. Aunque la fuerza de interacción del espacio libre entre el átomo-fotón es débil, el fotón en este caso se refleja hacia atrás y hacia adelante hasta que es absorbido por el átomo.

Una configuración similar llamada cavidad óptica se utiliza en láser.

(figura tomada de Wikipedia)

En la práctica, sin mayor aporte de energía, la luz en la cavidad se atenuará al rebotar entre los espejos. Sin embargo, si seguimos bombeando energía, podemos mantener la luz allí. Si usamos un espejo parcialmente reflectante en un lado, la luz que se escapa formará un haz estrecho. Esto es básicamente cómo funciona el tipo más simple de láser.

Estos no son espejos perfectos, y el espacio entre ellos no es vacío (en cambio, es un medio de ganancia), pero con algo de entrada de energía, podemos mantener la luz rebotando entre los espejos (y también obtener un rayo láser).

Sí, el fotón vivirá para siempre dentro del espejo esférico.

Pero no podrá verlo desde afuera , ya que como el espejo se refleja al 100% desde adentro, debe ser 0% que transmite 0% de absorción.

[Matemáticas] Reflectividad + Transmisividad + Absorción = 1 [/ Matemáticas]

Entonces, desde afuera, el espejo esférico que contiene fotón se verá como

Dato curioso: ningún espejo es 100% reflectante.

Desafortunadamente, no existe un espejo perfecto. Los espejos, que siguen siendo objetos, absorben una pequeña cantidad de energía de la luz que cae sobre ellos, absorben débilmente la luz de los rangos rojo y amarillo.

Lo que percibimos como color es simplemente el rango del espectro electromagnético que no fue absorbido por la sustancia que estamos viendo, sino que se difundió .

Intente colocar dos espejos uno frente al otro, notará que a medida que se producen reflejos infinitos, los reflejos más profundos parecen obtener un tono verde, y eso se debe a que los espejos reflejan mejor el rango de color verde.

Como Matt me superó y señaló, el video de VSauce sobre este asunto es realmente interesante y lo explica mucho mejor que yo, aquí: ¿De qué color es un espejo?

Entiendo que la pregunta del autor en realidad era si los espejos perfectamente reflectantes (sin transmisión ni absorción) eran posibles.

La respuesta es no, tanto en el mundo real como en teoría.

Esto se puede ver rigurosamente usando las relaciones Kramers-Kronig: la constante dieléctrica del espejo siempre tiene un componente imaginario distinto de cero que implica absorción y, en última instancia, algo de transmisión (con excepción de los dieléctricos a frecuencia de onda cero).

Por lo tanto, incluso si no hubiera una abertura en la esfera, ni una fuente de luz ni un instrumento de medición, podría detectar la luz desde el exterior y se desvanecerá.

si…. pero

depende de lo que quieras decir con el fotón que vive para siempre. En el caso ideal, encontrará un solo fotón con la longitud de onda original.

sin embargo, los fotones son indistinguibles, por lo que no tiene sentido decir que tiene los fotones originales. El proceso de reflexión es absorción seguido de emisión.

Me lo imagino. Por ejemplo, tenga los dos espejos uno frente al otro perfectamente paralelos, y permita que un espejo se pueda cambiar entre transparente y reflectante. Brille un láser a través de él en transparencia, con el haz perpendicular a los espejos, y luego cambie el espejo a reflectante. Si los espejos son realmente perfectos y reflejan cada fotón perfectamente, no hay ningún lugar para que los fotones vayan excepto entre los espejos. Por supuesto, los espejos deben tener un vacío entre ellos, de lo contrario cualquier atmósfera podría dispersar los fotones.

Probar esto para el tamaño:
Mírate en un espejo. Mira fijamente a tu ojo dominante con tu ojo dominante. Observe el reflejo de su cara en la pupila. Mire fijamente al ojo dominante en el reflejo secundario. Repita a la profundidad que pueda observar. Dado que su retina absorbe luz, por lo tanto la negrura de la pupila, ¿es posible mantener una línea recta donde no haya fotones que pasen entre al menos el centro de su retina y el espejo? Suponga que su ojo permanece perfectamente quieto.

Independientemente de los resultados, es muy divertido hacerlo. Si la respuesta es sí, felicidades, ha creado un punto de oscuridad perfecta.

Es curioso cómo algunas personas tienden a centrarse en el irrealismo de un hipotético en lugar de responder al hipotético. (Tenga en cuenta que reconozco que algunos hacen ambas cosas).

Los fotones (partículas de luz) rebotarán por la habitación hasta que golpeen algo que pueda absorberlos y convertirlos en otra cosa (como calor). Si la superficie interior de la habitación no puede absorberlos, entonces eso solo deja la bombilla. Si alguna parte de la bombilla es absorbente, eventualmente todos los fotones terminarán allí … ¡y estará CALIENTE! Sin embargo, si no hay nada en la habitación para absorber los fotones, y aún se están poniendo más fotones en la habitación, entonces la habitación se convertirá en un área de concentración de fotones de brillo inimaginable. Sin embargo, nadie puede ver el brillo porque tienes que absorber fotones en las varillas y conos de tus ojos para ver.

No olvides que tu fuente de luz también es capaz de absorber fotones. Entonces, si coloca un filamento o diodo caliente en la esfera, cada fotón rebotaría un cierto número de veces, pero eventualmente golpearía el emisor de luz y sería absorbido nuevamente como calor. Una luz dentro de una bola de espejos es básicamente un calentador.

La idea funciona lo suficientemente bien, incluso con reflejos imperfectos y pequeños agujeros de entrada y salida, como para ser un instrumento científico.

La esfera de integración ( esfera de integración) se utiliza para recolectar y medir la radiación que se emite o dispersa en múltiples direcciones. ¡Por supuesto, la colección tarda más de un segundo que un milenio!

Buen experimento mental!

En la práctica no existe una “superficie perfectamente reflectante”. Se podría hacer una superficie que mantenga la luz circulando durante un tiempo relativamente largo.

Incluso si es así, la “detección” de la luz eventualmente agotaría las “partículas de luz” de los fotones de la habitación.

QED

La luz es una forma de energía. La luz tiene una frecuencia. La luz “interactúa energéticamente” con su entorno. Su caparazón puede absorberla. Finalmente, la luz finalmente dejará de existir.

La reflexión perfecta significa cero transmisión. No podría dispararle un fotón desde afuera. Su idea funciona solo como un experimento mental donde el fotón aparece mágicamente en el interior; En la vida real, los ingenieros suelen optar por un 99% de cavidades ópticas de reflexión para poder inyectar luz.

Puedes acercarte mucho, pero hay un par de efectos que te van a llegar al final.

Primero, los espejos de metal son bastante malos, y tendrás la suerte de no perder el 2-3% de la luz en cada rebote. Si no trabaja en una banda relativamente estrecha de frecuencias, puede obtener http://en.wikipedia.org/wiki/Die de capas múltiples especiales … que son buenas para todas menos una parte en un millón. Pero eso todavía no es infinito.

En segundo lugar, si usa espejos planos, como en un verdadero http://en.wikipedia.org/wiki/Fab …, solo obtendrá un número modesto de rebotes antes de que el rayo haya divergido casi por completo debido a http: // en.wikipedia.org/wiki/dif… .

Si hace que cada espejo sea cóncavo en la cantidad correcta, puede mantener el ancho del haz bajo control y obtener muchos más rebotes, pero aún así el mejor perfil de haz que puede hacer es http://en.wikipedia.org/wiki/Gau … , que es bastante estrecho pero aún tiene un halo tenue a un radio arbitrariamente grande. Entonces, a menos que los espejos sean infinitamente anchos, perderá algunas partes por millón o similares de los bordes.