Was ist das Problem mit Licht, das sich mit einer höheren Geschwindigkeit als ccc bewegt?

Ich versuche zu verstehen, wie Einstein aufgrund von Gedankenexperimenten wie einer am Ende einer Rakete befestigten Taschenlampe zu dem Schluss kam, dass Zeit relativ ist. Basierend auf Antworten auf Fragen wie diese , diese und diese , verstehe ich, dass die spezielle Relativitätstheorie uns sagt, dass es nahe der Lichtgeschwindigkeit nicht genau ist, einfach die Geschwindigkeiten der Rakete und die Lichtgeschwindigkeit, die von der Fackel ausgeht, zu summieren sich zu einer Geschwindigkeit von mehr als addieren C . Was ich nicht verstehe, ist, welche Theorien, Annahmen und/oder Gleichungen Einstein dazu veranlassten, ein Problem mit der Idee eines Lichtstrahls zu erkennen, der sich mit einer relativen Geschwindigkeit von mehr als bewegt, bevor er die Relativitätstheorie entwickelte C ? Ich bin kein Physiker, nur jemand, der versucht, Einstein und die Relativitätstheorie besser zu verstehen, also versuche es nicht zu lächerlich tief zu machen :)

Maxwells Theorie sagte voraus, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante ist, aber sie sagte nicht, dass Geschwindigkeit relativ zu was ist . Die Frage, die Einstien beantwortete, lautete: Wie würde das Universum aussehen, wenn die Lichtgeschwindigkeit relativ zu demjenigen, der sie gemessen hat, konstant wäre?

Antworten (3)

Es gab ein paar Hinweise, die Einstein und andere fanden, die zu dem Schluss führten, dass die Lichtgeschwindigkeit etwas Besonderes war.

Erstens können Sie unter Verwendung der Maxwell-Gleichungen die Existenz elektromagnetischer Wellen ableiten, die sich ausbreiten

C = 1 μ Ö ϵ 0 ≈ 300 , 000 km/sek
Wo μ 0 Und ϵ 0 sind Konstanten, die Sie mit einfachen elektrischen Experimenten messen können. Aber das ist seltsam. Alle Geschwindigkeiten werden in Bezug auf ein anderes Objekt gemessen. Wenn ich mit 60 mph auf der Autobahn fahre, beziehen sich diese 60 mph auf die Erde. In welchem ​​Verhältnis steht die Lichtgeschwindigkeit? Spätere Experimente zeigten, dass es weder der Lichtsender noch der Lichtabsorber war. Vielmehr haben beide unabhängig von ihrer relativen Bewegung die gleiche Lichtgeschwindigkeit gemessen. Dies gipfelte im berühmtesten Nullergebnis der Physik: dem Michelson-Morley-Interferometer-Experiment .

Zweitens stellte sich Einstein vor, was er sehen würde, wenn er einen Lichtstrahl einholen und an ihm entlangfliegen könnte, um zu sehen, wie er aussah. Er erkannte, dass er eine bewegungslose Welle elektrischer und magnetischer Felder sehen würde. Dies ist jedoch nach den Maxwell-Gleichungen unmöglich. Die Gleichung, die angibt, wie elektrische Felder aus Ladungen erzeugt werden

∇ ⋅ E → = ρ ϵ 0 ,
Wo ρ ist die lokale elektrische Ladungsdichte, bedeutet, dass in Abwesenheit elektrischer Ladungen
∇ ⋅ E → = 0
Es kann keine Punkte im Raum geben, an denen das elektrische Feld maximiert oder minimiert wird. Wenn also ein maximales Feld unmöglich zu beobachten ist, argumentierte Einstein, und das würden Sie beobachten, wenn Sie einen Lichtstrahl einholen würden, dann muss es unmöglich sein, einen Lichtstrahl einzuholen.

Sobald eine maximale Geschwindigkeit als grundlegende Tatsache über unser Universum akzeptiert wird, müssen Raum, Zeit und die Art und Weise, wie Beobachter Raum und Zeit messen, neu überdacht werden. Daraus entstanden die Spezielle und die Allgemeine Relativitätstheorie.

Einstein schrieb, dass er sich nicht viel mit MM-Experimenten befasste, er befasste sich hauptsächlich mit der logischen Konsistenz von Gedankenexperimenten wie demjenigen mit dem Aufholen der von Ihnen erwähnten Lichtwelle.

Ein Argument lautet wie folgt:

Maxwells Gleichungen sagen viele Dinge voraus, aber Sie können sie genau wie eine Gleichung, die eine Vielzahl von Wellen beschreibt , in eine Form massieren . Nennen Sie dies "die Wellengleichung".

Stellen Sie sich also vor, Sie haben einen Behälter mit Wasser und Sie erzeugen Wellen. Sie könnten Ihren Kopf bewegen und mit einer Welle mitfahren, sodass die Welle aus Ihrer Sicht stationär erscheint.

Nun, Elektrodynamik (Licht) und kleine Wellen gehorchen beide derselben Gleichung. Sie können Ihren Kopf entlang einer Wasserwelle bewegen, sodass die Welle ruhig erscheint. Kannst du deinen Kopf entlang einer Lichtwelle bewegen, sodass die Welle still erscheint? Experimentatoren wollten dies versuchen, und sie stellten fest, dass nein, das geht nicht .

Dieses Experiment wird nun verwendet, um das Postulat zu motivieren, dass die Maxwellschen Gleichungen in allen Bezugsrahmen gleich sind. Das impliziert dann, dass Sie statt einer Galilei -Transformation eine Lorentz-Transformation verwenden müssen .

Was passiert also, wenn Sie die spezielle Relativitätstheorie verwenden, um schneller als das Licht zu reisen? Dies wird in der Frage „ Kann die FTL-Kommunikation zwischen zwei Punkten im selben Bezugsrahmen die Kausalität brechen? “ beantwortet. Wenn Sie nur zulassen, dass Objekte FTL in einem einzigen privilegierten Referenzrahmen reisen, erhalten Sie keine Paradoxien. Aber wenn Sie FTL-Reisen in willkürlichen Referenzrahmen zulassen, erlauben Sie Zeitreisen und Paradoxien von "sich umbringen, bevor Sie in die Vergangenheit gereist sind, um sich umzubringen"!

Und deshalb ist die Idee von FTL-Reisen für Physiker so entsetzlich.

Danke! Wie hat das Michelson-Morley-Experiment getestet, ob Sie "Ihren Kopf entlang einer Lichtwelle bewegen können, so dass die Welle still erscheint"? Es scheint mir, dass es hauptsächlich nur getestet wurde, ob Licht, das in verschiedene Richtungen wandert, durch unterschiedliche bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten relativ zum Äther unterschiedlich verändert wird oder nicht.
@BenLindsay Entschuldigung, ich tausche Präzision gegen Lesbarkeit! Genau: Das gleiche Verhalten, das es ermöglicht, Ihren Kopf entlang einer Lichtwelle zu bewegen, ist das gleiche Verhalten, das die Menschen vorhersagen ließ, dass das Michelson-Morley-Experiment herausfinden würde, wie schnell sich die Erde durch einen Äther bewegt. Dieses Verhalten ist die "galileische Invarianz", von der jetzt bekannt ist, dass sie bei hohen Geschwindigkeiten nicht gilt.

Kein physikalisches Signal kann sich mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die größer als die Lichtgeschwindigkeit ist, da sonst eine Wirkung der Ursache vorausgehen würde. Dies ist eine Folge der Lorentz-Transformationen.

"Eine Wirkung würde der Ursache vorausgehen " Ich denke, die Frage ist eher, warum Einstein dazu gebracht wurde, die Lorentz-Transformationen zu übernehmen. Ereignisse in die Kästchen „Ursache“ und „Wirkung“ zu stecken, ist in der Physik von geringer Bedeutung.
Was ist das Problem mit Licht, das sich mit einer höheren Geschwindigkeit als ccc bewegt?
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