Charakteristik von Photonen für konstante Geschwindigkeit

Question

Charakteristik von Photonen für konstante Geschwindigkeit

sauberes Spiel

Welche Eigenschaft von Photonen bewirkt, dass sie sich in allen Bezugsrahmen mit konstanter Geschwindigkeit fortbewegen? Bis zu den Themen, die ich studiert habe, nehmen wir dies immer an, haben aber nie eine Idee, was in der Natur von Photonen (den Quanten des elektromagnetischen Feldes) sein kann, die dies verursachen. Vielleicht ist mir etwas nicht klar. Bitte erkläre.

Michael

Siehe auch: physical.stackexchange.com/q/3541

Benutzer4552

verwandt: physical.stackexchange.com/questions/76492/…

sauberes Spiel

@MichaelBrown & Ben Crowell: Alle Antworten basieren auf der Annahme, die die Relativitätstheorie macht. Meine Frage ist, ob wir einen tieferen Grund in der Natur oder Eigenschaft masseloser Teilchen kennen, dass ihre Geschwindigkeit rahmenunabhängig ist. Was könnte der grundlegende Grund dafür sein, dass Masse als etwas verwendet wird, das Geschwindigkeitsrahmen abhängig macht?

Michael

Hier ist eine moderne Einstellung: Die spezielle Relativitätstheorie ist eine der einzigen Optionen, die Sie für eine mathematisch konsistente Theorie aufschreiben können. Sobald Sie die diskrete Liste von Optionen haben, können Sie sie einfach einzeln mit der Natur vergleichen und sie alle außer SR (und de Sitter-Relativität, wie es passiert) ausschließen. Entweder es gibt eine universelle Geschwindigkeit oder nicht. Die Tatsache, dass es eine universelle Geschwindigkeit gibt, ist eine experimentelle Tatsache, die jetzt mit großer Zuversicht festgestellt wird.

Michael

Sobald Sie die kinematische Gruppe erstellt haben (

R^{4} ⋊ O (3, 1)

$R^4 \rtimes O(3,1)$ für SR bzw

O (4, 1)

$O(4,1)$ für de Sitter) ist es eine einfache Übung, die Addition von Geschwindigkeiten zu berechnen und die Konstanz der universellen Geschwindigkeit in jedem Rahmen zu überprüfen. Dann definieren Sie in SR die Masse als Invariante der kinematischen Gruppe

m^{2} \equiv E^{2} - p^{2}

$m^2 \equiv E^2 - p^2$ und daraus ergibt sich, dass sich masselose Teilchen mit universeller Geschwindigkeit bewegen. Bei massiven Partikeln hingegen findet man immer einen Boost, der ihre Geschwindigkeit auf irgendetwas anderes bringt

< c

$<c$ .

Antworten (3)

Charakteristik von Photonen für konstante Geschwindigkeit

@MichaelBrown & Ben Crowell: Alle Antworten basieren auf der Annahme, die die Relativitätstheorie macht. Meine Frage ist, ob wir einen tieferen Grund in der Natur oder Eigenschaft masseloser Teilchen kennen, dass ihre Geschwindigkeit rahmenunabhängig ist. Was könnte der grundlegende Grund dafür sein, dass Masse als etwas verwendet wird, das Geschwindigkeitsrahmen abhängig macht?
Hier ist eine moderne Einstellung: Die spezielle Relativitätstheorie ist eine der einzigen Optionen, die Sie für eine mathematisch konsistente Theorie aufschreiben können. Sobald Sie die diskrete Liste von Optionen haben, können Sie sie einfach einzeln mit der Natur vergleichen und sie alle außer SR (und de Sitter-Relativität, wie es passiert) ausschließen. Entweder es gibt eine universelle Geschwindigkeit oder nicht. Die Tatsache, dass es eine universelle Geschwindigkeit gibt, ist eine experimentelle Tatsache, die jetzt mit großer Zuversicht festgestellt wird.
Sobald Sie die kinematische Gruppe erstellt haben ( $R^4 \rtimes O(3,1)$ für SR bzw $O(4,1)$ für de Sitter) ist es eine einfache Übung, die Addition von Geschwindigkeiten zu berechnen und die Konstanz der universellen Geschwindigkeit in jedem Rahmen zu überprüfen. Dann definieren Sie in SR die Masse als Invariante der kinematischen Gruppe $m^2 \equiv E^2 - p^2$ und daraus ergibt sich, dass sich masselose Teilchen mit universeller Geschwindigkeit bewegen. Bei massiven Partikeln hingegen findet man immer einen Boost, der ihre Geschwindigkeit auf irgendetwas anderes bringt $<c$ .

Friedrich Brünner · Answer 1

Der Grund ist in der Masselosigkeit von Photonen zu suchen. Das bedeutet, dass die Ruhemasse des Photons verschwindet. Dies kann durch die Analyse des Systems der speziellen Relativitätstheorie gesehen werden, das auf der Beobachtung basiert, dass sich Licht in allen Bezugsrahmen mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt.

Die relativistische Energie-Impuls-Beziehung eines allgemeinen Teilchens ist gegeben durch

E = \sqrt{(P C)^{2} + (M_{0} C^{2})^{2}},

$E =\sqrt{(pc)^2+(m_0c^2)^2},$

Wo $p$ ist ein dreidimensionaler Impuls, $m_0$ ist Ruhemasse und $c$ ist die Lichtgeschwindigkeit.

Wie können wir das für ein Teilchen sehen, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, $m_0$ muss null sein?

Ein Teilchen, das sich durch den Minkowski-Raum bewegt, kann anhand seines Impulsvektors klassifiziert werden. Es kann entweder zeitartig (Geschwindigkeit kleiner als c), lichtartig (auch "Null" genannt, Geschwindigkeit gleich c) oder raumartig (Geschwindigkeit größer als c) sein. Als Referenz siehe das Diagramm unten (Quelle: Wikipedia).

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Bedingung dafür, dass ein Vektor lichtartig ist, ist, dass das Quadrat seiner Norm verschwinden muss. Der Impuls-Vier-Vektor in der speziellen Relativitätstheorie ist gegeben durch

P = (\frac{E}{C}, P_{X}, P_{j}, P_{z})

$\textbf{P}=(\frac{E}{c},p_x,p_y,p_z)$ ,

mit

P^{2} = - \frac{E^{2}}{C^{2}} + P^{2},

$\textbf{P}^2=-\frac{E^2}{c^2}+p^2,$

Wo $p$ ist die Norm der räumlichen Komponenten, wobei ich die Minkowski-Signatur angenommen habe $(-,+,+,+)$ . Wenn dieser Ausdruck gleich Null ist, kommen wir zur Relation

- E^{2} / C^{2} + P^{2} = 0,

$-E^2/c^2+p^2=0,$

oder

E = P C .

$E=pc.$

Wenn wir dies mit der relativistischen Energie-Impuls-Beziehung vergleichen, die ich oben aufgeschrieben habe, sehen wir, dass die beiden Ausdrücke konsistent sind, wenn die Ress-Masse $m_0$ verschwindet. Dies sollte einen Einblick geben, wie die beiden Konzepte der Masselosigkeit und der Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit in allen Referenzsystemen zusammenhängen.

ja, aber in der speziellen Relativitätstheorie gehen wir davon aus, dass sich Licht in allen Bezugssystemen mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt. Ich wollte fragen, ob wir einen tieferen Grund für diese Natur kennen oder nur aus Beobachtung? Die konstante Geschwindigkeitsgrenze c mag für alle masselosen Teilchen gelten, aber warum passiert es, dass eine Änderung des Bezugssystems für masselose Teilchen ihre Geschwindigkeit nicht ändert?
Es ist ein Postulat der speziellen Relativitätstheorie, dass sich Licht in allen Bezugsrahmen mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreitet, was mit Experimenten vereinbar ist.

Enucatl · Answer 2

Enucatl

Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, weil sie keine Masse haben.

sauberes Spiel

Bitte lesen Sie meinen Kommentar als Antwort auf Frederics Antwort oben.

Enucatl

Ah, das ist aber eine ganz andere Frage. Dann war @Michael Brown dem am nächsten. Sie können die Details in diesem Papier arxiv.org/abs/math-ph/0602018 lesen , aber es ist ziemlich fortgeschritten. Es läuft auf Folgendes hinaus: Wenn Sie die Symmetrieprinzipien des leeren Raums durchsetzen, erhalten Sie am Ende eine Grenzgeschwindigkeit, die in jedem Bezugssystem gleich ist. Wenn Sie möchten, dass der Elektromagnetismus konsistent ist, muss diese Geschwindigkeit auch die Lichtgeschwindigkeit sein.

Terry1234 · Answer 3

Ich postuliere, dass sie möglicherweise durch das Raumgefüge vorwärtsgetrieben oder abgestoßen werden und nicht durch die anfängliche Geschwindigkeit, die ihnen bei ihrer Entstehung verliehen wird. Ich kann es noch nicht mit irgendwelchen Daten belegen, aber es könnte erklären, warum sie nicht langsamer werden über weite Strecken und Begegnungen mit Massen

Könnte sich lohnen zu lesen: physical.stackexchange.com/q/19670

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Kyle Kanos

Wie genau wird die konstante gemessene Lichtgeschwindigkeit aus der Maxwell-Gleichung abgeleitet?

Hat die Tatsache, dass magnetisches und elektrisches Feld proportional zu ccc sind, eine physikalische Bedeutung?

Warum und wie ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant, dh unabhängig vom Bezugssystem?

Wie können wir aus der Maxwellschen Wellengleichung schließen, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig vom Bewegungszustand der Beobachter gleich ist?

Kann sich Licht langsamer als maximal ausbreiten?

Was würde passieren, wenn eine Ladung bei ccc reisen könnte? [Duplikat]

Ist die Lichtgeschwindigkeit eine universelle Raumzeitkonstante, die Geschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen oder von Photonen?

Ausbreitungsgeschwindigkeit von Photonen unter Berücksichtigung von QFT-Korrekturen höherer Ordnung

Ein weiterer Einwand gegen Feynmans sich bewegenden unendlichen Ladungsträger „Radiator“

Licht in Masse bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit