Kann sich Licht langsamer als maximal ausbreiten?

Zunächst einmal weiß ich, dass sich Licht in einem Medium wie Luft oder Wasser tatsächlich langsamer ausbreitet, aber das liegt daran, dass die Photonen von den Partikeln des Mediums und in verschiedene Richtungen abprallen, sodass der Lichtstrahl als Ganzes verlangsamt wird (oder zumindest das ist die klassische Erklärung, die ich irgendwo gelesen habe).

Aber meine Frage bezieht sich auf Licht, das sich frei im Vakuum bewegt.
Was ist, wenn ein Astronaut während eines Weltraumspaziergangs eine Taschenlampe in die entgegengesetzte Richtung einschaltet, in die er sich bewegt? Wird sich das Licht langsamer als normal fortbewegen?

Wenn nicht, gibt es eine andere Möglichkeit, das Licht langsamer zu machen?
Können Sie beispielsweise einen Lichtstrahl so langsam bewegen, dass Sie visuell wahrnehmen können, dass er von der Schwerkraft beeinflusst wird?

Um auf die spezielle Frage zu einem Astronauten und der Taschenlampe einzugehen: Die spezielle Relativitätstheorie garantiert, dass die Lichtgeschwindigkeit immer bestehen bleibt C in diesem Fall.
Übrigens glaube ich nicht, dass es richtig ist zu sagen, dass Licht langsamer wird, weil es von Partikel zu Partikel in verschiedene Richtungen springt. Ich habe das in der vorherigen Diskussion so oft kommentiert. Wenn dies richtig wäre, würden Photonen aus dem Medium in alle zufälligen Richtungen und mit unterschiedlichen scheinbaren Geschwindigkeiten austreten, was nicht so funktioniert.

Antworten (5)

Die Lichtgeschwindigkeit ist ortsinvariant, dh wenn Sie sie an Ihrer Position messen, erhalten Sie immer den Wert C . Die anderen Antworten erklären, warum wir in Ihrem Beispiel des Astronauten mit der Taschenlampe immer noch die Lichtgeschwindigkeit messen würden C .

In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit jedoch nicht global invariant. Wenn Ihr Astronaut zum Beispiel knapp über dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs schwebt und seine Fackel nach außen strahlt, würden wir sehen, dass sich das Licht anfänglich mit weniger als bewegt C und Beschleunigung in Richtung C wenn es sich weiter vom Schwarzen Loch entfernt. Am Ereignishorizont selbst würden wir sehen, wie sich die Lichtgeschwindigkeit auf Null verlangsamt. In diesem Wikipedia-Artikel finden Sie einige nützliche Links, obwohl der Artikel selbst nicht viel mehr sagt, als ich hier gesagt habe.

Sie müssen etwas vorsichtig sein, wenn Sie dem eine physikalische Relevanz beimessen, da alle Geschwindigkeiten, die wir messen, keine unveränderlichen Größen in GR sind. Die Eigenlichtgeschwindigkeit ist eine Invariante und bleibt erhalten C sogar am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs. Dies ist jedoch ein Beispiel dafür, wie die Lichtgeschwindigkeit geändert und das Licht durch die Schwerkraft beeinflusst werden kann.

Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ist nicht nur theoretisch garantiert, sondern auch experimentell nachgewiesen. Tatsächlich war es, wie Sie vielleicht wissen, die experimentelle Entdeckung , dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig vom (Trägheits-)Bezugssystem konstant ist, die die Inspiration für die Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie durch Albert Einstein bildete.

Rein aus der relativistischen Formel für die Geschwindigkeitsaddition kann mathematisch gesehen werden, dass sich das Licht immer noch mit einer Geschwindigkeit fortbewegen würde C In einem Vakuum. Angenommen, der Astronaut hat eine Geschwindigkeit von − v in Bezug auf den Boden. Er beobachtet das Licht, das seine Taschenlampe mit einer Geschwindigkeit von verlässt u = + C (in Bezug auf ihn). 1 Die relativistische Theorie sagt uns dann, dass sich das Licht mit einer Geschwindigkeit fortbewegt S in Bezug auf den Boden, gegeben durch

S = ( − v ) + ( + C ) 1 + ( − v ) ( + C ) C 2 = C − v 1 − v C = C − v C − v C = C − v C − v C S = C .

Sie können mit beliebiger Geschwindigkeit gehen, Sie werden nie ein anderes Ergebnis erzielen. Außer wenn Sie einfügen − C anstatt − v , dann ist die Antwort undefiniert - Sie erhalten jedoch immer noch C wenn Sie es mit Grenzwerten berechnen .

1 Warum können wir das sagen? Denken Sie daran, dass sich der Astronaut im Bezugsrahmen des Astronauten überhaupt nicht bewegt und er erwarten würde , dass das Licht seine Taschenlampe mit einer Geschwindigkeit von verlässt C (in Bezug auf ihn). Deutlicher wird dies, wenn man die Taschenlampe durch eine kleine Kanone und das Licht durch eine kleine Kugel ersetzt.

Angenommen, Sie können die Austrittsgeschwindigkeit für diese Kugel aus der Kanone einstellen. Angenommen, Sie haben es auf eingestellt v . Wenn Sie mit dieser kleinen Kanone herumlaufen, erwarten Sie, dass der Ball die Kanone immer noch mit einer Geschwindigkeit verlässt v in Bezug auf Sie, wenn Sie es abfeuern. Klassisch, wenn Sie mit einer Geschwindigkeit gehen u In Bezug auf den Boden verlässt der Ball die Kanone mit einer Geschwindigkeit u + v in Bezug auf den Boden.

Relativistisch gesehen ist das einzige, was in all dem Obigen ungültig ist, diese einfache Summierung von Geschwindigkeiten. Sie benötigen die Formel, die ich im Haupttext dieses Beitrags verwendet habe und die sich auf die einfache Summierung beider reduziert u Und v sind viel kleiner als C . Es ist also völlig in Ordnung zu sagen, dass das Licht die Taschenlampe des Astronauten mit einer Geschwindigkeit verlässt C für den Astronauten, auch ohne die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu kennen.

Ich akzeptiere Ihre Antwort, weil Sie die Tatsache erwähnen, dass dies auf empirischen Beobachtungen und nicht nur auf der Theorie von jemandem gestützt wird. Sie sagen jedoch " Er beobachtet, wie das Licht seine Taschenlampe mit einer Geschwindigkeit von u = + c verlässt ", als wäre es eine offensichtliche Tatsache, aber genau das ist meine Frage: Warum wird die Lichtgeschwindigkeit nicht wie bei einem Tennisball verringert? Ich schätze, die Antwort ist... nur weil man experimentell gesehen hat, dass sich Licht so verhält.
@GetFree Das ist die Idee, auf der die spezielle Relativitätstheorie aufgebaut ist: die – in der Tat experimentelle – Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum konstant und gleich ist C in allen Inertialsystemen. Aber wir können sagen, dass der Astronaut das Licht, das aus seiner Taschenlampe kommt, mit einer Geschwindigkeit beobachtet C (in Bezug auf ihn), ohne diese Beständigkeit zu benötigen. Ich habe meine Antwort bearbeitet, um das hoffentlich klar zu machen.
Aber wenn Sie über die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Bescheid wissen, dann würden Sie denken ... wenn wir ein Licht rückwärts leuchten lassen und uns mit der Geschwindigkeit v in die andere Richtung bewegen, dann sollte sich das Licht in Bezug auf uns mit der Geschwindigkeit c + v bewegen . Aber Beweise sagen etwas anderes. Es ist die Wahrnehmung der Geschwindigkeit, die konstant ist, nicht die Geschwindigkeit an sich.
@GetFree Nein, denk noch einmal daran, dass du dich nie bewegst. So v im eigenen Bezugsrahmen ist immer 0 . Daher wird sich das Licht – in Ihrem eigenen Bezugssystem – schnell von Ihnen wegbewegen C unabhängig von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Das Seltsame ist, dass es sich auch mit Geschwindigkeit bewegt C im Bezugssystem des Bodens, während Sie sich schnell bewegen v ≠ 0 wrt zu diesem Bezugsrahmen (wobei v kann positiv oder negativ sein). Klassisch würde man erwarten, dass es sich schnell bewegt C + v bezogen auf diesen Bezugsrahmen (aber nicht bezogen auf Ihren eigenen!).
Ich werde missverstanden. Was ich sagen will, ist, dass Sie, wenn Sie die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit kennen und fälschlicherweise davon ausgehen, dass diese Konstanz ein fester, bewegungsloser Punkt ist (wie ich es anfangs getan habe), denken würden, dass Licht je nach Fall mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gemessen werden sollte Sie bewegen sich nicht. Meine Schlussfolgerung ist also, dass nicht die Geschwindigkeit selbst konstant ist, sondern die Wahrnehmung davon.
@GetFree Ich bin mir nicht sicher, welchen Teil Ihres vorherigen Kommentars Sie zu welchem ​​​​Zeitpunkt während dieses Gesprächs für wahr gehalten haben. Wenn Sie sagen "wie ich es ursprünglich getan habe", bezieht sich das auf die Zeit, zu der Sie die Frage ursprünglich gestellt haben, oder auf die Zeit vor meiner Änderung? Und glauben Sie derzeit, dass die Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) nicht konstant ist, aber die Wahrnehmung davon? Wenn ja, könnten Sie erklären, was Sie genau mit „Wahrnehmung“ meinen?
Es ist fast philosophisch. Wenn wir nur die Messung der Lichtgeschwindigkeit haben und alle diese Messungen unabhängig von der (Trägheits-)Referenz gleich sind, dann können wir nur sagen, dass die wahrgenommene Lichtgeschwindigkeit immer gleich ist. Aber wir können nicht sagen, dass sich Licht immer gleich schnell bewegt, weil unsere Wahrnehmung von unserer eigenen Geschwindigkeit beeinflusst wird. Das meine ich, wenn ich sagte, dass die wahrgenommene Lichtgeschwindigkeit konstant ist und nicht die Geschwindigkeit selbst.
@GetFree Anscheinend verstehen Sie nicht ganz, wie die Geschwindigkeit eines Objekts definiert ist. Geschwindigkeit ist immer eine relative Größe. Wir können jedem Objekt eine Geschwindigkeit nur bzgl. eines Bezugsrahmens zuordnen, so wie wir seine Position nur bzgl. eines Bezugsrahmens definieren können. Nun gibt es kein absolutes Trägheitsbezugssystem und damit auch keine absolute Geschwindigkeit. Wie gesagt, Geschwindigkeit ist immer eine relative Größe. Und die Lichtgeschwindigkeit ist in allen Inertialbezugssystemen gleich. [Fortsetzung wird folgen]
[Fortsetzung] Das fühlt sich seltsam an – und das ist es auch – aber es ist wahr. Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant, nicht irgendeine Wahrnehmung davon (weil Geschwindigkeit immer eine relative Größe ist). Aber Geschwindigkeit ist die pro Zeiteinheit zurückgelegte Entfernung, was bedeutet, dass sich diese Konzepte – Entfernung und Zeit – auf eine besondere Weise zu verhalten scheinen, wenn wir das Inertialsystem wechseln. Tatsächlich: Wegen der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit kommt es zu Phänomenen wie Zeitdilatation und Lorentzkontraktion. Und es braucht keinen Wahrnehmungsbegriff, denn so werden Geschwindigkeiten definiert: relativ zu einem Bezugssystem.

Was ist, wenn ein Astronaut während eines Weltraumspaziergangs eine Taschenlampe in die entgegengesetzte Richtung einschaltet, in die er sich bewegt? Wird sich das Licht langsamer als normal fortbewegen?

In der Newtonschen Mechanik bewegt sich Objekt A mit Geschwindigkeit u relativ zu B, und B bewegt sich um v relativ zu C, dann ist die Geschwindigkeit von A relativ zu C einfach u + v . Aber in der speziellen Relativitätstheorie ist die Gleichung ( u + v ) / ( 1 + u v ) (vorausgesetzt, dass u Und v sind beide relativ zur Lichtgeschwindigkeit, dh die Einheiten sind so, dass C = 1 ). Wenn u = 1 , dann ist das Ergebnis der Geschwindigkeitskombination immer noch 1.

Aufgrund des Doppler-Effekts würde es eine Frequenzverschiebung (Farbverschiebung) im Licht der Taschenlampe relativ zu einem stationären Beobachter geben. Jedes augenblickliche "Lichtstück" würde jedoch immer noch mit der gleichen Geschwindigkeit (C, der Lichtgeschwindigkeit) von der Taschenlampe ausgehen und sich von seinem augenblicklichen Austrittspunkt mit dieser konstanten Höchstgeschwindigkeit fortbewegen.

Licht ist im Wesentlichen eine elektromagnetische Welle. C 0 2 = 1 ε 0 μ 0 Wo ε 0 ist die Dielektrizitätskonstante und die magnetische Dielektrizitätskonstante im Vakuum. es spielt also keine Rolle, ob der Astronaut die Taschenlampe in eine beliebige Richtung einschaltet. Die Geschwindigkeit wird durch die natürliche Eigenschaft des Mediums oder Vakuums bestimmt, in dem sich das Licht bewegt. Die Antwort auf Ihre Frage lautet also "Nein".

Kann sich Licht langsamer als maximal ausbreiten?
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