Können sich masselose Teilchen im Vakuum langsamer als Lichtgeschwindigkeit fortbewegen?

Wir wissen, dass ein Objekt mit positiver Masse nicht auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden kann, weil dies unendlich viel Energie erfordern würde. Meine Frage ist:

Gibt es etwas im Universum, das sich im Vakuum mit weniger als Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann und dennoch keine Masse hat?

Ist es innerhalb der physikalischen Gesetze unseres Universums überhaupt möglich?

Notiz v C = P C E = P C ( P C ) 2 + ( M C 2 ) 2 .

Antworten (4)

Im Vakuum, nein. Masselose Teilchen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. In der Relativitätstheorie ist die (Ruhe-) Masse eines Teilchens die Energie (geteilt durch C 2 ) des Teilchens in seinem Ruhesystem. Wenn etwas in seinem Ruhesystem null Energie hat, existiert es dann wirklich? (Nein.) Masselose Partikel nutzen eine knifflige Lücke in diesem Argument aus, denn wenn sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, ist es unmöglich, in ihr Ruhesystem zu gelangen.

Mit anderen Worten: Masselose Teilchen dürfen nur deshalb existieren (dh eine endliche Menge an Energie haben), obwohl sie keine Masse (Energie in ihrem Ruhesystem) haben, weil sie kein Ruhesystem haben. Wenn ein Teilchen masselos wäre und sich mit weniger als Lichtgeschwindigkeit fortbewegen würde, könnten wir in sein Ruhesystem gehen, feststellen, dass es überhaupt keine Energie hat, und zu einem philosophischen Rätsel geführt werden, weil ein solches „Objekt“ keine Wirkung auf das Physische haben kann Welt.

In einem Medium können sich Teilchen, die im Vakuum masselos sind, jedoch mit einer anderen Geschwindigkeit als der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum fortbewegen. Beispielsweise bewegt sich Licht durch Glas mit einer Geschwindigkeit, die etwa 1,5-mal langsamer ist als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum; Wir beschreiben dieses Phänomen, indem wir sagen, dass Glas einen Brechungsindex von etwa 1,5 hat. Eine Erklärung für den Brechungsindex ist jedoch, dass das Photon aufgrund von Wechselwirkungen mit Phononen im Glas eine effektive Masse erhält, sodass der Brechungsindex in gewisser Weise „eine Ausnahme ist, die die Regel bestätigt“ und tatsächlich die Idee bestätigt, dass wenn Etwas bewegt sich im Vakuum mit weniger als Lichtgeschwindigkeit, dann hat es irgendeine Form von Masse.

Vielleicht nicht Phononen, sondern Plasmonen? Schließlich beeinflusst sichtbares Licht mehr den elektronischen Teil des Glases als die Kerne.
Warum schreibst du, dass etwas nicht existiert, wenn es in seinem Ruhesystem null Energie hat?
@HelloGoodbye Nicht vergessen E = M C 2 , etwas ohne Energie hat keine Masse. Können Sie sich Beispiele für physikalische Objekte ohne Masse vorstellen? (Außer Licht, das Energie hat und nicht in sein Ruhesystem gebracht werden kann)
Was meinst du mit "physischem Objekt"? Mir ist kein Objekt ohne Energie oder (vermutlich) ein masseloses Objekt mit einer Geschwindigkeit von weniger als bekannt C , aber wenn wir nicht auf QFT-basierte Erklärungen zurückgreifen (siehe den Teil über die Klein-Gordon-Gleichung in Nullius in Verbas Antwort), bin ich nicht davon überzeugt, dass ein solches Objekt nicht existieren kann.
@HelloGoodbye Ich meine, beschränken wir uns einfach auf die klassische Physik (aber Sie könnten ein analoges Argument für andere Bereiche der Physik vorbringen). Die Bewegungsgleichungen des Universums in der klassischen Physik sind { P → ich ˙ = ∑ k F → k , ich , M ich X → ich ˙ = P → ich } Wo ich ist ein Etikett, das über jedes Teilchen läuft, F k , ich ist der k -te Kraft, die auf Teilchen wirkt ich , P ich ist der Schwung, M ich ist die Masse, und X ich ist die Stellung. Wie würden Sie ein Teilchen beschreiben (label J ) mit diesen Gleichungen, die hatten M J = 0 ?
Ich verstehe dein Argument. Jede Kraft, die auf ein solches Teilchen wirkt, würde eine unendliche Beschleunigung verursachen. Wir müssen also davon ausgehen, dass keine Kräfte darauf einwirken (außer der Schwerkraft, wenn Sie das für eine Kraft halten), und dann würde ich in den Bewegungsgleichungen nicht ihren Impuls verwenden, sondern ihre Geschwindigkeit. Ich frage mich jedoch, ob ein solches Teilchen in der Lage wäre, mit anderen Teilchen zu interagieren, die keine Energie ungleich Null haben, da es anderen Teilchen weder Energie noch Impuls geben kann. Vielleicht wäre es in der Lage, die Wahrscheinlichkeiten der verschiedenen Ergebnisse eines Streuereignisses zu verändern? Was denken Sie?
@HelloGoodbye Das ist richtig. Vielleicht gibt es obskure Situationen, in denen unsere gewöhnliche Vorstellung von Teilchen keinen Sinn ergibt, und Sie haben Objekte, die per Definition keine Masse haben. Aber wenn wir uns auf Situationen beschränken, in denen wir über gewöhnliche Teilchen sprechen, die sich mit niedrigeren Geschwindigkeiten bewegen als C , Nullmasse zu haben bedeutet, dass es diesem Objekt nicht möglich ist, mit anderen Teilchen zu interagieren, und kann daher in einem Experiment keine beobachtbaren Konsequenzen haben. Ich begnüge mich damit zu sagen, dass ein solches Objekt aus physikalischer Sicht nicht „existiert“, selbst wenn es in einem gewissen philosophischen Sinne „existiert“.
Mit "per Definition keine Masse haben" meine ich, dass das Wort "Masse" keinen Sinn macht, um sie zu beschreiben, nicht dass sie eine Masse gleich Null haben. Wenn Sie mit Programmierung vertraut sind, kann ich mir nan-wertige Massen vorstellen, aber keine nullwertigen Massen (für Objekte, die sich weniger als bewegen C ). Ein Quasi-Beispiel wären Unteilchentheorien , die per se keine Teilchenzustände haben (obwohl die Zustände immer noch Masse haben).

Es kommt darauf an, was man unter "alles" versteht.

Wenn Sie ein Loch in ein festes Objekt bohren, das sich langsamer als das Licht bewegt, dann hat das Loch keine Masse und bewegt sich auch langsamer als das Licht.

Wenn Sie zwei große Metallbleche mit Schlitzen haben, die Schlitze in einem Winkel zueinander stehen und ein Blech über das andere gleitet, dann gibt es ein Loch durch die Kombination, wo sich beide Schlitze schneiden. Auch hier hat ein Loch keine Masse und kann sich in diesem Fall mit beliebiger Geschwindigkeit bewegen.

Oder der Schnittpunkt zweier Lichtstrahlen. Das Licht hat keine Ruhemasse und die Kreuzung kann sich mit beliebiger Geschwindigkeit bewegen.

Oder der Schatten eines Objekts, das eine Lichtquelle umkreist, die gegen eine entfernte Wand geworfen wird. Der Schatten hat keine Masse und kann sich mit beliebiger Geschwindigkeit bewegen.

Wenn „Dinge“ als geometrisch definierte Merkmale wie Schnittpunkte, Kanten, Grenzen, Schatten, Wellenberge usw. betrachtet werden können, lautet die Antwort „Ja“. Ein Wellenpaket hat eine Gruppengeschwindigkeit und eine Phasengeschwindigkeit, die Gruppengeschwindigkeit ist langsamer als Licht, die Phasengeschwindigkeit ist schneller als Licht, aber sind die Phasenspitzen der Welle ein "Ding" im beabsichtigten Sinne? Sie können offensichtlich keine „Masse“ haben, sonst könnten sie sich nicht schneller als Licht fortbewegen. Aber ist ihre Masse null oder ist Masse in diesem Fall ein bedeutungsloser Begriff? 'Keine Masse' könnte beides bedeuten.

Aber wenn Sie speziell über Materie und ihre Masse und Geschwindigkeit sprechen, dann gehorcht Materie der Klein-Gordon-Gleichung, einer Wellengleichung, in der die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle c wird, wenn die Masse auf Null gesetzt wird. Wenn Ihre Definition von „irgendetwas“ also nur materielle Dinge meint, die einer Klein-Gordon-Gleichung gehorchen, dann lautet die Antwort „nein“. Null Ruhemasse führt zu einer Welle, die sich nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten kann.

Danke für die Genauigkeit. Ich wollte in diesem Zusammenhang mit dem Begriff „alles“ „jede Angelegenheit“ meinen.
Können Sie eine Referenz für Ihre Klein-Gordon-Argumentation angeben? Und was genau meinen Sie, wenn Sie sagen, dass die Angelegenheit der Klein-Gordon-Gleichung folgt? Die Klein-Gordon-Gleichung liefert einfach die Masse-Schalen-Bedingung für die Quantenfelder, ihre Ausbreitung wird nicht von der Klein-Gordon-Gleichung bestimmt, sie wird immer noch von der Schrödinger-Gleichung mit dem entsprechenden Hamilton-Operator bestimmt.

Ja, alle masselosen Teilchen müssen sich bei c fortbewegen.

Wenn sich ein masseloses Teilchen mit weniger als c fortbewegt, würde es einen Rahmen geben, in dem das Teilchen vollständig ruht. Aber ein Teilchen in Ruhe und ohne Masse als sein 4-Impuls (oder genauer gesagt die lorentz-invariante Kontraktion seines 4-Impulses P μ P μ ) nicht erhalten werden (alle Komponenten wären 0).

Was meinst du damit, dass es nicht konserviert werden konnte? Es scheint mir, als wäre es nur konstant 0, was bedeutet, dass es konserviert würde.
@HelloGoodbye, das ist wahrscheinlich eine bessere Art, es zu sagen - ein Teilchen ohne Masse, das sich unter c bewegt, konnte keinen Impuls ungleich Null bewahren. (und wenn es 0 ist, dann existiert es nicht)
Warum sagen Sie, dass das Teilchen nicht existiert, wenn sein Impuls Null ist? Dies ist sicherlich nicht etwas, das im Allgemeinen gilt, da jedes Teilchen, das eine Geschwindigkeit von weniger als hat C kann ein Impuls gegeben werden, der Null ist, indem man es in seinem Ruhesystem beobachtet. Warum also sollte ein masseloses Teilchen ohne Impuls nicht existieren? Was bedeutet die „Existenz“ von etwas überhaupt?
Etwas, das existiert, kann andere Dinge beeinflussen. Ein masseloses Teilchen, das immer 0 Impuls hat, kann unter keinen Umständen andere Dinge beeinflussen, also existiert es nicht.
Woher wissen Sie, dass es die Wahrscheinlichkeiten der verschiedenen Ergebnisse eines Streuereignisses nicht beeinflussen kann?
@HelloGoodbye Wenn sein 4-Impuls 0 ist, gibt es keine Terme ungleich Null, die zu einer Querschnittsberechnung beitragen könnten.

Kommt darauf an, was man unter Vakuum versteht.

Nimmt man einen Festkörper im Vakuum an, dann liegt eine Situation mit Geschwindigkeit kleiner als c vor. Das Photon wird am Rand des Körpers abgelenkt. Diese Wechselwirkung mit der Kante braucht Zeit und ändert die Richtung des Photonenpfads. Offensichtlich breitet sich ein solches Photon, das sich im Vakuum befindet, mit weniger als c aus.

Können sich masselose Teilchen im Vakuum langsamer als Lichtgeschwindigkeit fortbewegen?
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