Natur des Lichts in der Speziellen Relativitätstheorie

Was ist die Natur des Lichts im Kontext der Speziellen Relativitätstheorie? Ist es ein Photon oder eine elektromagnetische Welle oder etwas anderes?

Ich habe Zweifel, denn ein Photon scheint mir ein quantenmechanisches Konzept zu sein, und die Spezielle Relativitätstheorie soll eine klassische Theorie sein.

SR sagt nichts über etwas anderes als die Symmetrieeigenschaften von Raum und Zeit aus.
Die spezielle Relativitätstheorie ist eine rein "geometrische" Theorie, sie sagt nichts darüber aus, welche Art von Materie die Raumzeit füllen könnte, alles, was zählt, ist, dass sie Masse hat. Es ist wie die drei Newtonschen Gesetze, aber ohne Ausdrücke für besondere Kräfte. Diese werden durch das Standardmodell und die allgemeine Relativitätstheorie bereitgestellt, insbesondere die Quantenelektrodynamik für Photonen. Und die Quantenelektrodynamik ist eine relativistische Quantentheorie, dh sie fasst sowohl die spezielle Relativitätstheorie als auch die Quantenmechanik zusammen.
Der Kommentar von @CuriousOne ist sehr irreführend. Die spezielle Relativitätstheorie ist eine Theorie darüber, wie beobachtete Ereignisse aus verschiedenen Bezugsrahmen erscheinen, und Licht spielt die absolut entscheidende Rolle der unveränderlichen Weglänge bei Änderungen des Bezugsrahmens. Zu sagen, dass die spezielle Relativitätstheorie nur eine Theorie über Symmetrien ist, ist ziemlich reduktionistisch, insbesondere angesichts der Tatsache, dass die Theorie durch Experimente mit Licht motiviert und experimentell untermauert wird.
@DanielSank: Ja, das sind die Symmetrien, über die wir sprechen. Das ist die moderne Theorie, genau wie es in der Galileischen Relativitätstheorie um die Symmetrien von Galileischem Raum und Zeit ging. Dass allein daraus eine ganze Welt von Effekten folgt, ist das Schöne an der ganzen Sache.

Antworten (3)

Der klassische Elektromagnetismus ist perfekt kompatibel mit der speziellen Relativitätstheorie. In der klassischen E&M ist Licht eine elektromagnetische Welle und es gibt im Allgemeinen keine brauchbare Formulierung in Bezug auf Partikel.

Die am weitesten verbreitete Technik, um Quantenmechanik mit spezieller Relativitätstheorie zu kombinieren, ist die relativistische Quantenfeldtheorie. Die relativistische QFT, die der klassischen E&M entspricht, ist die Quantenelektrodynamik (QED). Die Quantennatur dieser Theorie führt zum Konzept der Photonen – quantisierte Wellenpaketanregungen des zugrunde liegenden „Photonenfeldes“. Aber dieses teilchenähnliche Verhalten ist ein reiner Quanteneffekt; in der Grenze wo ℏ → 0 und Quanteneffekte vernachlässigt werden können, ist das Teilchenbild nicht brauchbar.

Vorbehalt: An der Grenze kleiner Wellenlängen wird die klassische E & M durch die einfachere Theorie der "Strahlenoptik" gut angenähert, bei der Sie sich Licht als einen Strom von "Partikeln" vorstellen können, die sich in einer geraden Linie bewegen. Dies ist aber eine allgemeine Eigenschaft von Wellen kleiner Wellenlänge und keineswegs spezifisch für Licht. Wenn Leute über die „Teilchen“-Natur des Lichts sprechen, beziehen sie sich fast immer auf Photonen und Quanteneffekte.

Photonen sind Quanten, keine Teilchen. Es gibt keine funktionierende Teilchentheorie des Lichts. Die alte Korpuskulartheorie kann nicht einmal mit klassischer Beugung umgehen.
@CuriousOne Du bist diesbezüglich zu parteiisch. Das klassische Teilchenbild ist einfach und funktioniert gut auf Längenskalen, die viel größer als die Wellenlänge sind. Und dreht sich in der Physik nicht alles um die Wahl eines geeigneten Modells?
@knzhou: Du liest nicht, was ich geschrieben habe. Ich habe nicht gesagt, dass das klassische Modell nicht funktioniert, sondern dass es kein funktionierendes Teilchenmodell für Licht gibt. Die beiden sind nicht gleich. Das klassische Modell für Licht ist ein Wellenmodell und durch die Eikonal-Näherung ein Strahlenmodell. Die haben nichts mit Partikeln zu tun. Was die Quantenmechanik angeht ... sie hat auch keine Teilchen, hatte sie nie.

Um es klarzustellen, die Maxwell-Gleichungen sind als "Lorentz-invariante" Gleichungen bekannt, was bedeutet, dass sie in jedem Lorentz-transformierten Bezugsrahmen dieselbe Form annehmen. Die spezielle Relativitätstheorie entstand tatsächlich durch das Studium der (klassischen) Maxwell-Gleichungen ohne Ladungen oder Ströme. Dann bekommen wir:

∇ ⋅ E = 0
∇ ⋅ B = 0
∇ × E = − ∂ B ∂ T
∇ × B = μ 0 ϵ 0 ∂ E ∂ T

Nehmen Sie die Locke des Faradayschen Gesetzes:

∇ × ( ∇ × E ) = ∇ ( ∇ ⋅ E ) − ∇ 2 E = ∇ ⋅ ( − ∂ B ∂ T )

Und ersetzen Sie das Gesetz von Gauß für ∇ ⋅ E und das Amperesche Gesetz für ∂ ∂ T ( ∇ ⋅ B ) und Sie finden die Wellengleichung für E :

( ∇ 2 − 1 C 2 ∂ 2 ∂ T 2 ) E = 0
Wo C = 1 / μ 0 ϵ 0 ≈ 2.998 ⋅ 10 8 M / S .

Diese Wellengleichung gilt nur für den Fall der sogenannten „Lorenz-Eichung“ (nicht „Lorentz“), die einem gegenüber dem Medium ruhenden Bezugssystem entspricht. Damals, als die Leute dachten, es gäbe eine Art Flüssigkeit oder „Äther“, durch die elektromagnetische Wellen reisten, macht es Sinn, dass sich die Geschwindigkeit der Wellen in der Flüssigkeit ändert, wenn Sie sich relativ zur Flüssigkeit bewegen. Das Michelson-Morley-Experiment half zu zeigen, dass es keinen „Äther“ gibt, durch den Licht wandert.

Einsteins Erkenntnis war, dass sich elektromagnetische Wellen unabhängig vom verwendeten Bezugsrahmen mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten. Das Prinzip der Relativität ist nur dann erfüllt, wenn sich Geschwindigkeiten nicht im galiläischen Sinne addieren und stattdessen einem anderen Satz von Regeln zur Transformation von Referenzrahmen folgen, die als Lorentz-Invarianz bezeichnet werden. Es war in gewisser Weise Glück, dass wir eine Theorie der Lorentz-Invariante des Elektromagnetismus entdeckten , aber in anderer Hinsicht war es unvermeidlich, da die Theorie von Natur aus relativistisch ist.

Beachten Sie, dass ich hier nirgends die Teilchennatur des Lichts erörtere. Die spezielle Relativitätstheorie hat wirklich nichts mit klassischer oder Quantentheorie zu tun. Es geht um den Unterschied zwischen Galilei-Invarianz und Lorentz-Invarianz.

Nebenbei: Als er später gefragt wurde, warum er an die spezielle Relativitätstheorie glaube, zitierte Einstein Fizeaus Experiment.

Die Natur des Lichts selbst ist „kontextbezogen“. Eine zu weit gefasste Definition trifft häufiger zu, trifft jedoch weniger auf den jeweiligen Kontext zu; Eine zu spezifische Definition ist in ihrem eigenen Kontext am genauesten, in allen anderen jedoch wahrscheinlich weniger. Einstein definiert „Licht“ nicht im „Kontext“ von SR … er nimmt seine theoretische Gültigkeit als ein Konzept an, das eine/die universelle Konstante in Übereinstimmung mit anderen „akzeptierten/beobachteten/bewiesenen“ Formulierungen seiner Natur/Eigenschaften darstellt und dann wendet es auf ein theoretisches Konstrukt des Universums an, definiert es aber nie im begrifflich-linguistischen Sinne. Offensichtlich lassen sich viele kritische Aspekte einer „Definition“ in/aus der Theorie finden, aber diese sind weder die Grundlage der Theorie selbst, noch werden sie im abstrakt begrifflichen Sinne für ihre Gültigkeit benötigt.

Die Lichtgeschwindigkeit muss eine universelle Konstante sein, denn die Maxwell-Gleichungen haben das überraschende Ergebnis, dass sie in jedem Bezugssystem gleich sein muss.
Natur des Lichts in der Speziellen Relativitätstheorie
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v