Sehen wir alles verzögert?

Wenn Sie meinen "sehen wir die Dinge in Zeitlupe", lautet die Antwort "nein". Wir sehen die Dinge mit einer leichten Verzögerung, aber mit der gleichen Geschwindigkeit, als ob das Medium ein Vakuum wäre.

Der einfachste Weg, dies zu erkennen, besteht darin, darüber nachzudenken, was im Laufe der Zeit passieren würde. Nehmen wir an, wir schauen auf eine Uhr und das Licht der Uhr erreicht uns nur langsam – sagen wir, es dauert eine Sekunde länger als in einem Vakuum. Dann, wenn der Sekundenzeiger "1 Sekunde nach der vollen Stunde" erreicht, sehe ich es am Anfang der Stunde. Aber eine Sekunde später muss mich die Information "es ist jetzt eine Sekunde später" erreichen. Andernfalls stapeln sich all diese Informationen zwischen der Uhr und mir – und eine Person, die einfach den Raum betritt, würde entweder eine andere Zeit sehen als ich (sie sieht die Verzögerung von einer Sekunde), oder für sie wäre die Situation so anders als bei mir, als ich den Raum betrat. Beides macht keinen Sinn.

Also - konstante Verzögerung aufgrund der zusätzlichen Zeit, die das Signal benötigt; aber ansonsten kein Unterschied in der Geschwindigkeit, mit der sich beobachtete Ereignisse entfalten.

Wie @hobbs betonte, ist der tatsächliche Geschwindigkeitsunterschied zwischen Licht im Vakuum und in Luft winzig. Mit einem Brechungsindex von Luft bei STP von etwa 1,0003 ist der Unterschied normalerweise nicht zu bemerken. Licht legt 1 Meter in etwa 3 Nanosekunden zurück; Auf dieser Skala fügen zusätzliche 0,03 % etwa 1 Picosekunde hinzu.

Es gibt eine Verzögerung, aber man sieht nichts in Zeitlupe.

Nehmen wir an, ein bestimmtes Ereignis passiert zwischen$t_0$und$t_1$. Wenn das Medium zwischen Ihnen (dem Beobachter) und dem Ereignis Luft ist, wird das Licht Sie tatsächlich mit einer Verzögerung erreichen. Sie sehen das Ereignis beginnend um$t_0+ \Delta t_{air}$und endet bei$t_1+ \Delta t_{air}$. Der Zeitrahmen der Veranstaltung wird also nicht gestreckt, sondern nur gleichmäßig verzögert.

Wenn zwischen dem Ereignis und dem Beobachter ein Vakuum besteht, gibt es auch eine gleichmäßige Verzögerung. Der Beobachter sieht den Beginn des Ereignisses um$t_0+ \Delta t_{vacuum}$und enden um$t_1+ \Delta t_{vacuum}$.

Denn Licht bewegt sich im Vakuum schneller als Luft:

Sie sehen das Ereignis also im Vakuum etwas früher als in Luft, aber das Ereignis dauert in beiden Fällen gleich lange.

Wann sehen Sie nun etwas in Zeitlupe (oder beschleunigt)?

Lassen Sie uns dasselbe Ereignis in der Luft verwenden, aber die Situation ein wenig ändern. Die Veranstaltung beginnt um$t_0$auf Distanz$d_0$vom Beobachter. Die Veranstaltung endet um$t_1$auf Abstand$d_1$vom Beobachter.

Wenn$d_0 \lt d_1$der Beginn des Ereignisses wird vom Beobachter bei gesehen$t_0 + \Delta t_{air}$, hier ändert sich nichts. Für das Ende der Veranstaltung muss jedoch ein zusätzlicher Termin in Betracht gezogen werden. Weil das Licht eine längere Strecke zurücklegen muss$(\Delta d$), wird das Ende der Veranstaltung um beobachtet$t_1 + \Delta t_{air} + \Delta t_d$. Dies bedeutet, dass das Ereignis später beobachtet wird, aber auch der Zeitrahmen des Ereignisses gestreckt wird. Sie sehen das Geschehen in Zeitlupe.

Wenn$d_0 \gt d_1$. Die Denkweise ist die gleiche, außer$\Delta t_d$wird negativ sein. Das bedeutet, Sie sehen das Ereignis erneut mit der gleichen Verzögerung, aber Sie sehen es schneller, weil das Licht ausfällt$t_1$muss eine kleinere Strecke zurücklegen.

Wir sehen nie etwas in Echtzeit, wenn Sie das meinen. Das häufigste Beispiel im täglichen Leben ist die Sonne, die wir so sehen, wie sie tatsächlich vor acht Minuten „erschienen“ ist. Selbst das Mondlicht braucht etwas mehr als eine Sekunde, um uns zu erreichen. Und wenn Sie von der Entdeckung von Supernovae lesen, beobachten unsere Teleskope diese Ereignisse Millionen oder sogar Milliarden von Jahren, nachdem sie tatsächlich stattgefunden haben.

Aber die Verzögerung für Objekte in unserer Nähe (z. B. ein Auto auf der anderen Straßenseite) ist vernachlässigbar bis zur Bedeutungslosigkeit; Jede Verzögerung, die durch die Erdatmosphäre hinzugefügt wird, die das Licht dieses Autos verlangsamt, ist noch vernachlässigbarer und könnte in jeder Hinsicht genauso gut nicht existieren. Die daraus resultierende Illusion, dass wir Dinge in Echtzeit sehen, kann es ziemlich unintuitiv machen, über Zeitverzögerungen im astronomischen Maßstab nachzudenken.

Ein viel offensichtlicheres Beispiel für wahrnehmbare Zeitverzögerungen ist Ton; Es macht immer Spaß, dem Dämonenbrut zum ersten Mal zu erklären, dass Blitz und Donner tatsächlich zur gleichen Zeit „passierten“.

Die Lichtgeschwindigkeit in jedem Medium ist gegeben durch die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum dividiert durch den relativen Brechungsindex des gegebenen Materials. Nun ist der relative Brechungsindex des Vakuums offensichtlich eins. Und der relative Brechungsindex von Luft beträgt 1,0003 bei STP, und der Wert von C oder die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt ungefähr 300000000 m/s, also ist der Unterschied zwischen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in Luft und im Vakuum = 89973,0080976 m/s Daher gibt es einen ziemlich großen Unterschied in der Lichtgeschwindigkeit in Luft und im Vakuum. Aber dieser Unterschied bringt keinen großen Unterschied bei Beobachtungen aus kurzer Entfernung, so dass es im Falle unserer täglichen Beobachtungen kein Grund zur Sorge ist, aber für eine Beobachtung aus großer Entfernung könnte es ein Problem verursachen.

Ich denke, die beste Metapher hier ist, sich vorzustellen, dass wir alles auf Bandverzögerung sehen.

Wenn sie beispielsweise ein Sportereignis übertragen, verzögern sie die Übertragung möglicherweise um 15 Sekunden, damit sie die Möglichkeit haben, auf Werbung umzuschalten, wenn etwas Illegales für die Übertragung passiert. Oder im Fall der Olympischen Spiele verschieben sie es vielleicht sogar um einige Stunden, um es zu einem für den Zuschauer bequemeren Zeitpunkt zu zeigen.

Das bedeutet, dass Sie Dinge (auf der Bandverzögerung) sehen, die einige Zeit zuvor aufgetreten sind, richtig? Aber Sie sehen immer noch, dass sie mit der gleichen Geschwindigkeit geschehen, mit der sie ursprünglich aufgetreten sind; der Fußballspieler läuft immer noch mit der gleichen scheinbaren Geschwindigkeit, der Ball wird immer noch mit der gleichen Kraft und scheinbaren Geschwindigkeit getreten. Nichts davon ändert sich. Der einzige Unterschied besteht darin, dass es 15 Sekunden bevor Sie es gesehen haben passiert ist.

Der einzige Grund, warum dies nicht wahr wäre, wäre, wenn ein Teil des Lichts, das Sie sehen, durch ein Luftmedium reisen würde und ein Teil davon nicht durch ein Luftmedium reisen würde. Dann wäre Ihre Sicht verzerrt (nur sehr, sehr leicht, aber immer noch). Dies wäre vergleichbar mit dem Sehen unter Wasser (oder dem Sehen von Dingen, die unter Wasser sind) - das Wasser verzerrt das Licht etwas, verlangsamt es nicht nur, sondern beugt es auch etwas, auf eine andere Weise als die Luft; somit hast du einen sichtbaren unterschied. Aber da alles, was wir „sehen“, durch die gleiche Luft kommt (es sei denn, Sie betrachten etwas durch ein weltraumgestütztes Teleskop, nehme ich an?), gibt es keine offensichtliche Verzerrung, da alles mit der gleichen Geschwindigkeit verlangsamt wird.

Licht bewegt sich etwa einen Fuß pro Nanosekunde. Eine Nanosekunde ist die Periode von irgendetwas, das bei 1 GHz schwingt. Wenn Sie sich in einem typischen Raum in einem Haus oder Bürogebäude befinden, schauen Sie auf Dinge, die vielleicht zehn, zwanzig oder dreißig Fuß entfernt sind. Was Sie sehen, ist, wie die Dinge vor 10, 20 oder 30 Nanosekunden waren. Für die alltäglichen Dinge im Leben eines typischen Menschen ist dies so gering, dass es kaum eine Rolle spielt. Nur Physiker und Radioingenieure kümmern sich darum.

Was ist mit der Verzögerung aufgrund von Luft? Vakuum ist per Definition ein "Medium" mit einem Brechungsindex von 1,00000, während Luft an der Erdoberfläche bei angenehmer Temperatur und normalem Druck und Dichte, auch bekannt als "STP", einen Brechungsindex von etwa 1,00029 für sichtbares Licht hat.

Von einer Laufzeit von 10, 20 oder 30 Nanosekunden beträgt die durch Licht verursachte Verlangsamung einen Bruchteil von 0,00029 davon, was 0,0029, 0,0058 oder 0,0087 Nanosekunden entspricht.

Was ist, wenn Sie im Freien sind und auf etwa zehn Meilen entfernte Berge blicken? Die normale Lichtgeschwindigkeit bedeutet eine Verzögerung von etwa 52000 Nanosekunden oder 52 Mikrosekunden. Die Wirkung von Luft beträgt im Vergleich zu Vakuum 0,00029 davon, etwa 15 Nanosekunden.

Der genaue Brechungsindex der Luft hängt von Temperatur, Dichte und Feuchtigkeit ab. Das NIST hat eine Seite, die diese Variante detailliert beschreibt .

Es ist zu beachten, dass dies nur eine zeitliche Verzögerung ist. Jede sich wiederholende Aktivität scheint mit der gleichen Geschwindigkeit zu erfolgen. Wenn ein Licht alle 1,000000000 Sekunden blinkt, sehen Sie jedes Blinken einige Nanosekunden später, aber immer noch alle 1,000000000 Sekunden.

Wenn Sie den Mond, den Jupiter, die Sterne oder irgendetwas außerhalb der Erdatmosphäre betrachten, blicken Sie meistens durch das Vakuum, aber zwischen Ihnen auf dem Boden und dem leeren Raum befinden sich Luft im Wert von mehreren Meilen. Unsere Atmosphäre verjüngt sich allmählich. Wenn Sie all die dünne Luft in den oberen Rändern herunterbringen und sie so zusammenpacken, dass alles bei STP ist, denke ich, dass es ungefähr 10 bis 15 Meilen dick ist. Nun, das ist ungefähr dasselbe wie das Bergbeispiel, das ich gerade gegeben habe. Sie würden also aufgrund der Erdatmosphäre etwa 15 bis 20 Nanosekunden später eine Supernova explodieren sehen, verglichen damit, wenn die Luft nicht da wäre.

Fun Fact: Radioastronomen können die Verzögerung von Mikrowellensignalen von Pulsaren aufgrund des interstellaren Mediums messen. Dieses Medium ist das, was die meisten normalen Menschen "Vakuum" nennen, aber es ist kein perfektes Vakuum. Der Brechungsindex ist winzig und hängt stark von der Frequenz ab. Die Messung dieser Variation sagt Astrophysikern etwas über die wenigen neutralen Atome, H2-Moleküle und freien Elektronen und Protonen, die zwischen den Sternen herumtreiben. Es sind hauptsächlich Wasserstoffmoleküle, etwa eine Million pro Kubikzentimeter.