Haben Photonen eine Beschleunigung?

Photonen bewegen sich mit der schnellsten Geschwindigkeit in unserem Universum, der Lichtgeschwindigkeit.

Haben Photonen eine Beschleunigung?

Antworten (6)

Per Definition ist Beschleunigung eine Geschwindigkeitsänderung. Geschwindigkeit ist ein Vektor, also hat sie eine Größe (auch bekannt als Geschwindigkeit) und eine Richtung. Bei Licht ändert sich die Magnitude nicht, wohl aber die Richtung.

Stellen Sie sich zum Beispiel einen Lichtstrahl vor, der von einem Spiegel reflektiert wird. Das einfallende Licht geht in eine Richtung, das ausgehende Licht geht in eine andere Richtung, also ist vermutlich eine gewisse Beschleunigung beteiligt. Die tatsächliche Berechnung der Beschleunigung wird jedoch etwas schwierig, da A → durchschn = Δ v → Δ t , und es ist schwer, genau zu definieren Δ T , die Zeit, die das Licht braucht, um vom Spiegel abzuprallen. Sobald Sie genau genug hinsehen, scheint die Wirkung der Reflexion eher wie Absorption und Reemission zu sein.

Sie könnten die gleiche Frage auch zu Licht stellen, das sich im leeren Raum bewegt, frei von irgendetwas, von dem es reflektiert werden kann. Hier wird es jedoch ein wenig knifflig, da Licht, das sich im leeren Raum bewegt, möglicherweise beschleunigt wird oder nicht, je nachdem, wie Sie "konstante Geschwindigkeit" definieren.

In der Newtonschen Physik neigen wir dazu, „konstante Geschwindigkeit“ relativ zur Erde, zur Sonne oder zu einem anderen geeigneten Objekt zu definieren. Aus dieser Sicht ändert sich die Richtung eines Lichtstrahls (und damit seine Geschwindigkeit), wenn er an einem massiven Objekt vorbeigeht und von der Schwerkraft angezogen wird. Wenn Sie es also so betrachten, beschleunigt sich Licht im leeren Raum.

Aber in der allgemeinen Relativitätstheorie wird "konstante Geschwindigkeit" in Bezug auf parallelen Transport definiert - nicht relativ zu einem bequemen Objekt, sondern relativ zu der Art und Weise, wie sich der Weg des Objekts "natürlich" durch die Raumzeit erstreckt. In diesem Sinne ist die „natürliche“ Verlängerung eines Pfades eine Geodäte, genau die Art von Trajektorie, der ein Objekt (oder ein Lichtstrahl) nur unter dem Einfluss der Schwerkraft folgt. Im allgemeinen relativistischen Sinne beschleunigen sich Lichtstrahlen also nicht in Abwesenheit von Materialien.

Es wurde Gravitationslinseneffekt beobachtet, was bedeutet, dass die Photonen gebogen werden. Eine Beschleunigung kann in ihrer Richtungsänderung definiert werden, Winkelbeschleunigung in Bogenmaß/Sekunde^2, also ist die Antwort positiv, ja, Licht kann beschleunigt werden, aber seine Geschwindigkeit ist lokal immer noch c.

Dies ist unglaublich ungenau, Gravitationslinseneffekt ist ein GR-Effekt, während ein Photon im Quantenregime existiert, GR gilt auf diesen Längenskalen nicht dafür. Sie müssten ein Argument für die effektive Krümmung vorbringen, aber dies geht weit über alles hinaus, was hier behandelt werden kann
@Timtam Diese Photnen, die am Gravitationslinseneffekt teilnehmen, wurden gemessen, es ist eine experimentelle Tatsache. Die Krümmung ist bekannt und somit kann eine Winkelgeschwindigkeit geschätzt werden. Ich verstehe nicht, warum Sie das Problem verkomplizieren müssen. Stellen Sie sich das als eine Black Box vor, die nicht weiß, wie sich die Photonen biegen.
Dies ist nicht gerade die Beschleunigung eines Photons. Das Photon folgt immer noch einer Null-Geodäte, also gibt es im Rahmen des Lichts keine Beschleunigung. Für einen anderen Beobachter scheint es nur eine gewisse Beschleunigung zu geben.
Ich denke, wenn Sie "Beschleunigung als Richtungsänderung definieren" und Gravitationslinsen als Richtungsänderung zählen, sollten Sie in der Lage sein, ein Verfahren zur Berechnung der Richtung anzugeben, in die sich der Lichtstrahl bewegt, wenn er die Richtung nicht ändert. Das Problem ist, dass Sie Ihre Antwort auf „Aufgrund der Gravitation ist der Begriff ‚Bewegung in einer unveränderlichen Richtung‘ obsolet“ reduzieren können. Will man das System austricksen, indem man sagt, der beobachtete Weg sei gekrümmt (wobei „beobachtetes Bad“ hier recht abstrakt ist), dann wird die Antwort wieder trivial: „Die Beschleunigung hängt vom Beobachter ab.“
@Timtam, es ist nicht ungenau. Photonen oder ebene elektromagnetische Wellen oder welches Modell auch immer Sie für Licht verwenden möchten, bewegen (oder breiten sich aus oder wie auch immer Sie es nennen möchten) entlang Null-Geodäten aus, was nicht nur zu gekrümmten Lichtpfaden von einem entfernten Beobachter führt, sondern auch in der Zeit Ausbreitungsverzögerungen. Dies ist Brot und Butter für extragalaktische Astronomen und Kosmologen ... Es ist da und wird jeden Tag gemessen und verwendet und kann nicht geleugnet oder als ungenau bezeichnet werden.
@Nick Kidman, das Verfahren zur Berechnung dieser Richtungsänderung wurde zuerst von Laplace eingeführt, obwohl das numerische Ergebnis halb richtig war (er verwendete die Newtonsche Schwerkraft) und später von Einstein korrekt. Google nach "Gravitationslinsengleichung"
Unter Annas Analyse "verbiegen" sich Lichtpfade unter dem Einfluss der Schwerkraft. Da das Universum mit Gravitationsobjekten gefüllt ist, die im Prinzip alle Gravitationsfelder haben, die den gesamten Raum durchdringen, würde dies nicht bedeuten, dass Photonen niemals "geradeaus" gehen, weil sie sich immer durch den Raum bewegen, der durch die Schwerkraft "gebogen" ist?
@Richardbernstein Die "Krümmung" wird durch die Geodäte im GR-Rahmen bestimmt. en.wikipedia.org/wiki/Geodesics_in_general_relativity
@ Richardbernstein siehe auch Davids Antwort, die die Angelegenheit klärt
@PO'Conbhui: Ihr Einwand ist richtig, aber: ... im Rahmen des Lichts ... Es gibt keinen Bezugsrahmen, der einer lichtähnlichen Bewegung entspricht.
@EduardoGuerrasValera: Null-Geodäten, die nicht nur zu gekrümmten Lichtwegen von einem entfernten Beobachter führen, sondern auch zu Laufzeitverzögerungen. Das ergibt keinen Sinn. Krümmung ist ein lokaler Begriff, und für eine Weltlinienkrümmung wird sie relativ zur Krümmung einer Geodäte gemessen, die per Definition Null ist. Was gekrümmt ist, ist nicht die Geodäte, gefolgt von einem Lichtstrahl. Was gekrümmt ist, ist die Raumzeit, durch die die Geodäten gezogen werden.
@BenCrowell nach dieser Logik beschleunigt selbst ein fallender Apfel, der einer Raumkrümmung folgt, nicht. Im Rahmen von GR Space Distortions hat Beschleunigung keine Bedeutung, imo. Es ist alles Raumgeometrie.
@annav: Richtig, der frei fallende Apfel hat keine Beschleunigung. Beschleunigung hat jedoch eine Bedeutung. Derselbe Apfel, der auf dem Boden sitzt, hat eine Beschleunigung von 9,8 m/s2.
@BenCrowell, bitte beachten Sie die Worte eines entfernten Beobachters . Die Berechnung des Weges im Raum, der sich aus der Ausbreitung entlang einer Nullgeodätischen ergibt, ist jedenfalls, von einem entfernten Beobachter aus gesehen, gekrümmt. Ja, Krümmung ist ein lokales Konzept, es sei denn, Sie haben einen trivialen, konstanten metrischen Tensor. Aber der resultierende Lichtpfad ist, wie von einem entfernten Beobachter gesehen, gekrümmt, es sei denn, Sie haben eine bessere Erklärung für die bekannten paar hundert oder so vielen Quasare.
@BenCrowell, in Quasaren sind Zeitverzögerungen und Mehrfachabbildungen aufgrund von Lichtwegkrümmungen aus unserer Sicht (= entfernte Beobachter, Linsengalaxien liegen typischerweise bei z ~ 0,5 oder mehr, ganz zu schweigen von den Quasarquellen!) gut modelliert indem man Linsenpotentialmodelle annimmt und dann sieht, was aus der Ausbreitung entlang Null-Geodäten resultiert (aus denen man einen äquivalenten Brechungsindex erhält). Welcher Teil ergibt keinen Sinn?
@BenCrowell: Natürlich. Aber es sorgte für eine kürzere Antwort und war nur ein wenig falsch.

Im Vakuum folgt das Licht der minimalen Entfernung der Raumzeit, selbst wenn es sich um ein massives Objekt (wie eine Gravitationslinse) handelt. Licht geht immer sofort nach der Raumzeitmetrik. Photon verliert keine Energie => es beschleunigt / verzögert nicht

Es verliert keine Energie in einem Gravitationslinsenbehälter. Licht verliert bei der Ausdehnung jedoch Energie, die Frequenz ändert sich. Die Geschwindigkeit ist immer noch c.
Lichtähnliche Geodäten sind nicht "die Mindestentfernung", da alle lichtähnlichen Pfade die Länge Null haben.

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Konstante, kann aber durch Richtungsänderung beschleunigt werden. Zum Beispiel beschleunigt Licht unter dem Einfluss der Schwerkraft wie jedes andere fallende Objekt. Reflexion ist keine sehr sinnvolle Form der Beschleunigung, da die Δ T ≈ 0 , aber es ist sicherlich eine Geschwindigkeitsänderung.

Licht kann auch wie andere beschleunigende Objekte Energie gewinnen und verlieren. Dies geschieht durch Änderung der Wellenlänge (Rot/Blau-Verschiebung).

Wie andere besprochen haben, verlaufen diese Pfade entlang Null-Geodäten ... was Sie in der Newtonschen Physik als Pfade des freien Falls bezeichnen würden, und es kann nicht richtig gesagt werden, dass sie beschleunigen. Entschuldigung, aber so funktioniert die Allgemeine Relativitätstheorie.

Wenn sich der Rotverschiebungsfaktor von der Änderung der Änderungsrate des affinen Parameters unter parallelem Transport unterscheidet, ja.

Ich denke, Sie wollen fragen, ob ein Photon beschleunigen kann. Die Antwort ist ja. Beim Wechsel von einem Medium zum anderen ändert das Licht beispielsweise seine Geschwindigkeit. Tatsächlich wird das eigentliche Photon während dieses Prozesses absorbiert und ein neues Photon wird zurückgestrahlt. Man könnte dies jedoch effektiv als leichte Beschleunigung bezeichnen

Im Gegensatz dazu wird ein gravitativ abgelenktes Photon im Vakuum nicht absorbiert oder redadiated, sondern ändert einfach Richtung und Geschwindigkeit , wie es von einem entfernten Beobachter aus gesehen wird. Daher denke ich, dass die Antwort von Anna V genauer ist. Ein Photon, das sich einem massiven Objekt im Vakuum nähert, wird abgebremst, wenn es sich der ablenkenden Masse nähert, ohne absorbiert oder erneut emittiert zu werden (aus diesem Grund denke ich, dass die Antwort von Anna V bei weitem die richtige ist).
Dies beschreibt nicht wirklich Beschleunigung. Gibt es einen Punkt, an dem die Geschwindigkeit des Photons auf halbem Weg zwischen der Geschwindigkeit liegt, mit der es sich durch die beiden Medien bewegt? Wenn nicht, ist der Geschwindigkeitssprung diskontinuierlich, nicht differenzierbar und kann daher nicht als Beschleunigung beschrieben werden.
Sie müssen sich mit Group Velocity, Phase Velocity und Set Velocity beschäftigen ;-)
Ich glaube nicht, dass dies die Frage des OP beantwortet. Im Gegensatz zu Ihrer Argumentation sind die Antworten von Anna V und Schroeder treffender.
Die Absorptions- / Emissionsidee ist fehlerhaft.
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