Warum beschleunigt Licht augenblicklich auf c, während dies bei keinem anderen Phänomen der Fall ist? [geschlossen]

"Sofort beschleunigen" würde bedeuten, dass ein Photon zum selben Zeitpunkt viele verschiedene Geschwindigkeiten annimmt. Tatsächlich würde dies bedeuten, dass ein Photon jede Geschwindigkeit dazwischen annimmt$0$Und$c$ gleichzeitig , aber das macht eindeutig überhaupt keinen Sinn - ein Teilchen kann nicht viele Momentangeschwindigkeiten gleichzeitig haben.

Wenn ein Photon entsteht, bewegt es sich fort$c$. Ein Photon ist immer unterwegs$c$, gibt es kein stationäres Photon, das dann beschleunigt wird. Betrachten Sie als unvollständige Analogie eine Druckwelle wie Schall, der sich durch Luft ausbreitet - die Druckwelle selbst ist die Bewegung von Energie, Sie können keine Schallwelle haben, die stationär bleibt und sich nicht bewegt. Ebenso existiert kein stationäres Photon - wenn es existiert, muss sich die elektromagnetische Welle (das ist das Photon ) bewegen$c$.

Betrachten Sie als weitere Analogie, was passiert, wenn Sie einen Stein in einen Teich werfen – Wellen breiten sich vom Kontaktpunkt aus aus. Wie schnell bewegten sich die Wellen, bevor Sie den Stein geworfen haben? Das ist unbeantwortbar, da die Wellen nicht existierten, bevor Sie den Stein geworfen haben. Die Wellen sind einfach die Bewegung des Wassers, also erfordern die Wellen Bewegung – die Wellen entstehen bereits in Bewegung.

Ich bin mir nicht sicher, ob dies ein Problem der visuellen Kommunikation ist. Meine Neigung wäre zu denken, dass dies ein Problem der Sprachkommunikation ist. Die Relativitätsgleichungen sagen uns, dass alles, was keine Ruhemasse hat, immer nur mit Lichtgeschwindigkeit existieren kann.
Photonen beschleunigen also nicht wirklich, es ist eher eine grundlegende Eigenschaft ihrer Existenz, sich mit c fortzubewegen.

Sie suchen nach einer Möglichkeit, die Tatsache zu visualisieren, dass ein Photon entsteht, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Denken Sie daran, dass ein Photon eigentlich eine Störung des elektromagnetischen Feldes ist . Dieses Feld ist überall gleichzeitig. Es ist Teil des fundamentalen Konstrukts des Universums und war es im Wesentlichen schon immer.

Eine Annäherung an die Photonenausbreitung könnte darin bestehen, einen Hammer zu betrachten, der auf einen Gong schlägt. Die Kraftwellen (Schallwellen im Fall des Gongs), die durch den Schlag des Hammers auf den Gong induziert werden, bewegen sich mit einer augenblicklichen Geschwindigkeit; sie beschleunigen nicht, sie breiten sich einfach aus. Die Geschwindigkeit, mit der sie sich ausbreiten, wird durch die physikalischen Eigenschaften des Gongs selbst bestimmt; es ist die Schallgeschwindigkeit.

Das elektromagnetische Feld hat die Eigenschaft, dass sich alle seine Wellen mit Lichtgeschwindigkeit c ausbreiten, egal was sonst noch passiert. dadurch hat der gong-vergleich seine grenzen.

Das Wichtigste, woran man sich erinnern sollte, ist, dass das Photon kein Teilchen ist; es ist eine Störung. Es ist das Feld, das die Geschwindigkeit dieser Störung bestimmt, und in unserem Universum ist diese Geschwindigkeit c .

Schauen Sie sich dieses Diagramm aus Feynmans Vorlesungen am Caltech über Drehimpuls an. Hier ein Atom mit Drehimpuls$m=1$beginnt in einem angeregten Zustand auf der linken Seite des Diagramms. Dann bewegt es sich in einen Grundzustand, während es ein Photon aussendet und sich fortbewegt$c$. Der Drehimpuls bleibt erhalten, also hat das Photon jetzt einen Drehimpuls von 1.

Stellen Sie sich als Analogie vor, Sie befinden sich am Rand eines Karussells, das sich sehr schnell dreht. Wenn Sie loslassen, beschleunigen Sie nicht, sondern bewegen sich in einer geraden Linie mit linearem Impuls weiter. Das Karussellsystem verliert einen entsprechenden Betrag an Drehimpuls, so dass der Impuls erhalten bleibt. Beim Loslassen ist keine Beschleunigung erforderlich! Diese Analogie hat natürlich ihre Grenzen, da ein Photon von der Rotationsebene emittiert werden kann.

Ich denke, Ihr grundlegendes Missverständnis ist folgendes:

In der Physik dauert es immer einige Zeit, bis sich ein Teilchen von der Ruhe auf eine gewisse Geschwindigkeit bewegt.

Wenn ein Teilchen in zwei andere Teilchen zerfällt, dann haben sie in dem Moment, in dem diese beiden Teilchen erzeugt werden, die Geschwindigkeiten, die erforderlich sind, um den Impuls zu erhalten (dh der Impuls vor dem Zerfall muss gleich dem Gesamtimpuls danach sein). Es ist keine Beschleunigung erforderlich - sie erhalten diese Geschwindigkeit in dem Moment, in dem sie erstellt werden.

Nun haben Photonen eine weitere Eigenschaft – sie bewegen sich absolut immer mit Lichtgeschwindigkeit. Bei Photonen hängen Impuls und Energie von ihrer Frequenz (oder Wellenlänge, wenn Sie es vorziehen) ab, sodass Impuls / Energie für ein Photon nicht von der Geschwindigkeit abhängig sind. Das bedeutet, dass es überhaupt kein Problem gibt, wenn das Photon mit Lichtgeschwindigkeit beginnt.

In der Physik braucht ein Teilchen immer etwas Zeit, um sich von der Ruhe auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu bewegen.

In der Quantenmechanik ist dies nicht der Fall. Teilchen, die während einer Quantenwechselwirkung erzeugt werden, können mit einem linearen Impuls ungleich Null in Bezug auf das Ruhesystem der Teilchen geboren werden, die das neue Teilchen erzeugen. Es gibt keine Beschleunigung. Beispielsweise gibt es keine Beschleunigung, wenn ein Photonenpaar durch eine Elektron-Positron-Kollision erzeugt wird. Die beiden Photonen bewegen sich von dem Moment an, in dem sie durch die Kollision entstanden sind, mit Lichtgeschwindigkeit.

Apropos Visualisierung,

Dies ist ein Feynman-Diagramm , das eine Elektron-Positron-Vernichtung darstellt. Beginnend am unteren Rand des Diagramms zeigt das Diagramm ein Elektron und ein Positron, die sich aufeinander zu bewegen. Irgendwann kommen sich die beiden Teilchen so nahe, dass ihre Felder interagieren. Dies ist die horizontale Linie in der Mitte des Diagramms. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Photonenpaar erzeugt, das die Energie und den Impuls der einfallenden Teilchen erhält. Die erzeugten Photonen werden mit Lichtgeschwindigkeit geboren.