Wie können wir zeigen, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen wirklich konstant ist?

Ich hatte eine Debatte mit einem Freund, der nicht glauben kann, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist.

Er sagte so etwas wie: Was wäre, wenn im Michelson-Experiment der sich bewegende Apparat diesen Photonen einfach eine konstante Geschwindigkeit hinzufügen würde. Selbst wenn Sie in einem Zug sitzen und einen Ball in zwei senkrechte Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit auf Wände werfen, die den gleichen Abstand von Ihnen haben, werden sie zurückprallen und gleichzeitig zu Ihnen zurückkehren, sodass dieses Experiment nicht wirklich funktioniert beweisen, dass die Lichtgeschwindigkeit an sich in jedem Bezugssystem wirklich konstant ist.

Obwohl ich die spezielle Relativitätstheorie verstehe. Ich finde seinen Standpunkt ziemlich schwer zu widerlegen. Zumal wir in der Quantenmechanik gesehen haben, dass Licht wieder aus Teilchen besteht und nicht aus Wellen. Ich bin mir also nicht sicher, ob ich relativ zum Laborrahmen mit EM-Wellen beginnen kann.

Gibt es andere Experimente und Beobachtungen, die das bestätigen? C in allen Referenzrahmen wirklich konstant ist und es kein "langsames" und "schnelles" Licht gibt? Also kann derjenige, der den Sinn von SR nicht wirklich verstanden hat, es sehen?

Antworten (4)

Sie finden das schwer zu widerlegen, weil Ihr Freund in gewisser Hinsicht Recht hat: Das MM-Experiment hat Einsteins zweites Relativitätspostulat nicht bewiesen, nämlich dass die Lichtgeschwindigkeit für alle Trägheitsbeobachter konstant ist.

Denken Sie daran, dass das Michelson-Morley-Experiment entwickelt wurde, um Bewegung relativ zu einem Äther oder einem materiellen Medium für Licht zu erkennen. Wenn Ihr Experiment in einem offenen Waggon die Schallgeschwindigkeit messen würde, dann würden Sie in der Tat unterschiedliche Geschwindigkeiten längs und quer zum Waggon messen. Das MM-Experiment ließ also ernsthafte Zweifel an der Vorstellung eines Äthers aufkommen.

Nun war bekannt, dass Maxwells Gleichungen ihre Form unter Galilei-Transformationen zwischen Trägheitssystemen nicht beibehielten. Dies wurde als in Ordnung erachtet, weil man vor dem MM-Experiment an die Vorstellung eines Mediums für Licht geglaubt hatte, sodass sich die Wellengleichung für Licht auf die gleiche Weise wie die Wellengleichung für Schall zwischen Trägheitsrahmen umwandeln sollte.

Also kommt Einstein und sagt, da es kein Medium gibt, lasst uns sehen, was mit unserer Physik passiert, wenn wir annehmen, dass Maxwells Gleichungen ihre Form bei einer Transformation zwischen Trägheitssystemen beibehalten. Er postulierte daher, dass die Lichtgeschwindigkeit für alle Trägheitsbeobachter gleich gemessen werden würde und schloss daraus, dass (1) die Transformationsgruppe die Lorentz-, nicht die Galilei-Gruppe war und (2) die zwischen zwei Ereignissen gemessene Zeit im Allgemeinen davon abhängen würde auf den Beobachter. (1) war bereits zur Zeit von Einsteins Arbeit von 1905 bekannt, (2) war radikal.

Das MM-Experiment motivierte also die angenommene Lorentz-Kovarianz der Maxwell-Gleichungen und damit das neue Relativitätspostulat, dass die Lichtgeschwindigkeit von allen Trägheitsbeobachtern als gleich gemessen würde.

Das zweite Relativitätspostulat kommt also nur zum Tragen, wenn wir die von verschiedenen Trägheitsbeobachtern gemessene Lichtgeschwindigkeit vergleichen. Jemand, der eine Lichtquelle in Ihrem Zug beobachtet, würde ein ganz anderes Transformationsgesetz bemerken als das ungefähre Galileische Transformationsgesetz, das die Geschwindigkeitstransformation des Tischtennisballs in ausgezeichneter Näherung beschreiben würde.

„Wenn Ihr Experiment an einem offenen Waggon die Schallgeschwindigkeit messen würde, dann würden Sie tatsächlich unterschiedliche Geschwindigkeiten längs und quer zum Waggon messen. Nass, die Sache ist die, das MM-Experiment hat die beiden Geschwindigkeiten "hin" und "zurück" nicht getrennt gemessen. Gemessen wurde dort+zurück/2, also der Durchschnitt.
@brightmagus Richtig. Aber Bewegung relativ zum Äther wäre immer noch zu sehen. Das Michelson-Interferometer vergleicht Verzögerungen (1) in Richtung und (2) im rechten Winkel zum mutmaßlichen Ätherwind. Die Äthertheorie sagte einen Unterschied voraus, der nicht gesehen wurde. Ein Interferometer, das auf Schallwellen basiert, die sich relativ zu Luft bewegen, würde eine Phasendifferenz erkennen.
Aber würde es oder tat es es? (Und Luft und Ton sind ein wenig anders.) Trotzdem war die Konzeptualisierung falsch. Generell werden dort ständig die Sichtweisen eines externen Beobachters und des Interferometers (in sich ortsfest) vermischt. Auch Feynman machte in "Six ... pieces" den gleichen Fehler, indem er sagte, dass "Licht sich bewegt C „Ohne zu sagen, woran. Alle vermuten jetzt C ist wrt. zum Äther, aber das Interferometer bewegte sich wrt. zum Äther selbst, also sollte die Geschwindigkeit cv und c+v sein (Feynman korrigierte die Entfernungen, aber nicht die Geschwindigkeiten). Und das ändert die ganze Mathematik.
@brightmagus (1) "Luft und Ton sind ein bisschen anders" und das ist der springende Punkt. Natürlich sind sie unterschiedliche Phänomene, aber das MM-Experiment hat explizit gezeigt, dass ihre Transformationen unterschiedlich sind, oder zumindest starke experimentelle Beweise dafür geliefert. Ob Sie den Unterschied zwischen Hin und Zurück erkennen können oder nicht C und Einbahnstraße C ist hier eigentlich unerheblich: Die Transformationen unterscheiden sich immer noch. Tatsächlich stimmt SR immer noch mit dem Experiment überein, obwohl es bisher keinem Experiment gelungen ist, Einwegmessungen durchzuführen C -Wir können bisher nur in zwei Richtungen messen C . Ich weiß nicht ....
@brightmagus ... ob Sie einen anderen Ansatz zur Relativität kennen, und das heißt, einfach zu sehen, was mit Galileos Relativität passiert, wenn man die Annahme der absoluten Zeit lockert. Sie haben immer noch etwas, das im Prinzip und in der Methode genau dem von Galileo entspricht, aber jetzt stellen Sie fest, dass eine ganze Familie von Transformationen zwischen Trägheitssystemen zulässig ist. Bei dieser Behandlung C wird zu einem Parameter, der definiert, welche dieser unendlichen Familie tatsächlich auf unser Universum zutrifft. Es fällt dann an, zu experimentieren, um herauszufinden, welchen Wert es hat C gilt für unser Universum. Bei diesem Ansatz, C Ist ....
@brightmagus ... nicht unbedingt die Geschwindigkeit von irgendetwas und die Lichtgeschwindigkeit ist irrelevant! Oder zumindest ist es ein nachträglicher Gedanke: Es stellt sich heraus, dass alles, was sich mit dieser Geschwindigkeit fortbewegt, eine Masse von Null haben muss. Aber das geht über das hinaus, was man aus dem MM-Experiment entnehmen kann. Die Übereinstimmung anderer experimenteller Ergebnisse mit der Lorentz-Transformation ist also einfach ein experimenteller Beweis dafür, dass Licht durch ein Teilchen mit Null-Ruhemasse vermittelt wird. Es gibt in dieser Herangehensweise an die Relativitätstheorie keinen a priori Grund, warum sich Licht mit diesem seltsamen Parameter ausbreiten sollte C überhaupt....
@brightmagus Siehe meine Ausstellung hier und auch einen weiteren Artikel von Mark H hier und von Joshphysics hier (die beiden letzteren sind schöner als meine)
WetSavanna, ich habe eigentlich nur Ihre Behauptung unterstützt, dass "... das MM-Experiment ernsthafte Zweifel an der Vorstellung eines Äthers aufkommen ließ". :) Was bedeutet, dass die Möglichkeit, dass es existiert, nicht ausgeschlossen wurde. Und meiner Meinung nach ändert sich nicht viel, selbst wenn irgendeine Art von Äther existiert, und die Physik hat viel merkwürdigere Probleme zu lösen als dieses. Was das "masselose Teilchen" betrifft, möchten Sie vielleicht "Was ist die Masse eines Photons?" lesen. von John Baez.

Der einfachste Weg wäre, festzustellen, dass die Lichtgeschwindigkeit von verschiedenen Geräten gemessen werden kann und dass sie immer gleich gemessen wird (unter Berücksichtigung des Mediums), unabhängig von ihrem Weg relativ zu uns.

Im Vakuum wurde noch nie gemessen, dass sich Licht schneller oder weniger bewegt als C , unabhängig davon, ob sich die Erde auf sie zu, von ihr weg oder senkrecht dazu bewegt.

http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SR/experiments.html

http://en.wikibooks.org/wiki/Special_Relativity/Aether

Der Punkt meines Freundes ist, dass, wenn die Lichtquelle auch auf der Erde ist, die gemessene Geschwindigkeit natürlich ist C relativ zur Erde. Können Sie ein Experiment zitieren, bei dem die Lichtquelle nicht auf der Erde basiert?
Wäre es hilfreich, darauf hinzuweisen, dass unsere Raumsonden, GPS-Satelliten usw. ohne spezielle und allgemeine Relativitätstheorie nicht funktionieren würden?
Es gibt eine große Anzahl von Experimenten mit c und Licht von nicht terrestrischen Quellen. Einige von ihnen führten direkt dazu, dass Einstein SR entwickelte. Siehe hier: math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SR/experiments.html
Eines, das mir auffällt, ist 1810 von Francois Arago . Angesichts der Tatsache, dass ein Lichtstrahl in Glas basierend auf seiner Reisegeschwindigkeit und den Eigenschaften von Glas gebrochen wird, sollte es, wenn ein Glasprisma in einem Teleskop platziert wird, eine Vielzahl von verschiedenen Winkeln geben, da sich die Erde auf sie zu und von ihr weg bewegt von all den verschiedenen Sternen, die am Himmel zu sehen sind. Es wurde jedoch nur 1 Brechungswinkel beobachtet. Und so wurde beobachtet, dass die Lichtgeschwindigkeit gleich ist, unabhängig davon, ob man sich darauf zu oder von ihr weg bewegt. en.wikibooks.org/wiki/Special_Relativity/Aether .
In der Tat könnte es Sie interessieren zu wissen, dass, soweit ich weiß, die Menschen seit dem Michelson-Morley-Experiment nicht mehr daran interessiert waren, die konstante Lichtgeschwindigkeit unter Trägheitstransformationen zu demonstrieren. Das war seit mehreren Jahrzehnten bekannt. Vielmehr, und dieser Teil ist etwas schwieriger, versuchten Michelson und Morley zu beweisen, ob diese Konstanz auf Licht zurückzuführen ist, das durch einen Äther wandert oder nicht.

In Bezug auf das erwähnte Experiment mit Francois Arago im Jahr 1810, bei dem die Lichtgeschwindigkeit beim Auftreffen auf das Teleskop gemessen wurde, messen wir nur die Lichtgeschwindigkeit, wenn es auf die Erdatmosphäre trifft. Dies sagt uns nicht die Lichtgeschwindigkeit im Weltraum.

Um die Lorentz-Invarianz rigoros zu testen, muss man theoretische Modelle berücksichtigen, bei denen die Lorentz-Invarianz verletzt wird, die nicht bereits ausgeschlossen sind. Man kann dies tun, indem man das Standardmodell betrachtet und dann Terme hinzufügt, die gegen die Lorentz-Invarianz verstoßen, und das allgemeinste derartige Modell untersucht, das physikalisch plausibel ist. Dies wurde in diesem Artikel getan , in dem neue Vorhersagen für experimentelle Signaturen von Verletzungen der Lorentz-Invarianz gemacht wurden, wie zum Beispiel:

  • Quantitative Vorhersagen zur Vakuum-Cherenkov-Strahlung

  • Zerfall eines hochenergetischen Photons in ein Elektron-Positron-Paar

  • Zerfall hochenergetischer Myonen in Elektronen und Photonen

  • Stabile hochenergetische neutrale Pionen aufgrund des Zerfalls auf zwei Photonen, die kinematisch verboten werden

  • Stabile hochenergetische Neutronen, während Protonen bei hohen Energien instabil werden

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