Woher wissen wir, dass Photonen genau masselos sind und sich im Vakuum genau mit der Geschwindigkeit ccc fortbewegen?

Ich weiß, dass diese Frage dumm klingen mag, aber was ich meine, ist, dass Photonen etwas Energie und keine Masse haben, aber Masse und Energie sollen äquivalent sein (oder vielleicht habe ich diesen Teil falsch verstanden). Auf eine frühere Frage bekam ich die Antwort, dass die Schwerkraft vom Spannungs-Energie-Tensor und nicht einfach von der Masse abhängt, sodass ein Photon auch einen sehr geringen Gravitationseinfluss erzeugen sollte. Woher wissen wir dann, dass sich Photonen bewegen? C und sagen wir nicht 99,999999% C ?

Ich frage dies wegen der Zeitdilatation, weil sich dann ein Photon etwas darunter bewegt C würde nur eine massive Zeitverlangsamung erfahren, aber immer noch keinen vollständigen Stillstand, oder?

BEARBEITEN: Beachten Sie, dass im hypothetischen Fall, dass Licht etwas langsamer ist als C Es wäre immer noch eine Geschwindigkeitsgrenze, die für relativistische Berechnungen verwendet wird, aber keine Lichtgeschwindigkeit mehr, daher lautet die Frage nicht genau "Warum bewegt sich das Licht mit Lichtgeschwindigkeit?".

Antworten (6)

100%ig sicher kann man das nicht sein, aber wir können der Masse Obergrenzen setzen.

Masselose Teilchen haben kein Ruhesystem, daher macht es keinen Sinn, von Zeitdilatation im System des Photons zu sprechen. Ein massives Photon hätte ein Ruhesystem, sodass Sie es schließlich einholen und sich neben ihm bewegen könnten.

Liste der experimentellen Grenzen der Photonenmasse

umfassendere Liste

George G: " It is no way to be 100% sure " -- Wenn es keine Möglichkeit gäbe, 100 % sicher zu sein, zumindest im Prinzip, könnte es "systematische Unsicherheiten" geben, die für die zitierten " experimentellen Grenzen " bewertet werden; und schließlich die Werte " CL% in pdg.lbl.gov/2013/listings/rpp2013-list-photon.pdf ? " aber wir können der Masse obere Grenzen setzen. " -- Können wir der Photonenmasse auch untere Grenzen setzen; zumindest prinzipiell und/oder experimentell?
@ user12262 Wenn die Masse endlich ist, könnten Sie hypothetisch eine untere Grenze finden, aber kein Experiment war jemals in der Lage, dies zu tun. Unabhängig von der Masse eines Photons ist es kleiner als irgendjemand messen kann, und es wird angenommen, dass es null ist.
@ user12262 Die dort aufgeführten Ergebnisse stammen aus vielen verschiedenen Experimenten mit unterschiedlichen Methoden. Ich glaube also nicht, dass Sie bei allen einen systematischen Fehler finden würden, fragen Sie das?
George G: " Sie könnten hypothetisch eine untere Grenze finden, aber kein Experiment war jemals dazu in der Lage " - Nun, der Punkt, den ich in meiner Antwort hier auszudrücken versucht habe, war, dass, nein: eine solche Hypothese ist absolut inkonsistent. " Die dort aufgelisteten Ergebnisse stammen aus vielen verschiedenen Experimenten mit unterschiedlichen Methoden, daher glaube ich nicht, dass Sie in allen einen systematischen Fehler finden würden " -- Um mit syst. Ungewissheiten sollten sie alle eine (gedankenexperimentell) eindeutige Vorstellung davon haben, wie sie den "wahren Wert" der gesuchten Größe ermitteln können

Stellen Sie sich eine sehr weit entfernte Supernova vor; Nehmen wir zum Beispiel an, dass die Photonen der Explosion eine Milliarde Lichtjahre zurücklegen müssen, um uns zu erreichen. Wenn diese Photonen unterschiedliche Geschwindigkeiten hätten, dann würden diese Unterschiede einen kumulierenden Unterschied in ihrer Laufzeit verursachen.

Selbst wenn sich ihre Geschwindigkeiten nur um ein Milliardstel unterscheiden würden, würden uns die schnellsten, energiereichsten Photonen ein Jahr vor den langsamsten, energieärmsten erreichen. Das passiert natürlich nicht: Wenn wir eine Supernova beobachten, detektieren wir alle Photonen gleichzeitig, unabhängig von ihrer Energie.

Würde dieses Licht nicht gebrochen werden?
Wie würde das Licht gebrochen werden?

In der speziellen Relativitätstheorie hängt die Energie mit Masse und Impuls zusammen E 2 = ( P C ) 2 + ( M C 2 ) 2 , Wo P ist der Schwung. M hier ist die Ruhemasse des Teilchens, also gibt es für den Fall der Photonen nur Energie aus dem Impuls. Der E = M C 2 Sie sind wahrscheinlich damit vertraut, ignoriert den Impulsterm und bezieht daher nur die Ruhemasse mit ein.

Photonen sind die quantisierte Energie des elektromagnetischen Feldes. Wir wissen aus den Maxwell-Gleichungen, die die klassische elektromagnetische Wellentheorie beschreiben, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist:

C = 1 μ 0 ϵ 0

Der Zahlenwert davon ist die uns bekannte Lichtgeschwindigkeit. Wenn unsere Quantentheorie des Lichts mit der klassischen Theorie konsistent sein soll, muss die Geschwindigkeit der Photonen gleich diesem Wert sein.

Aber am Ende die Lichtgeschwindigkeit C ist definiert als die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum, also fragt man sich, ob Photonen langsamer sind als C ist wie die Frage, was wäre, wenn sich Schall langsamer ausbreitet als die Schallgeschwindigkeit in der Luft. Es widerspricht der Definition der Geschwindigkeit.

Es sollte beachtet werden, dass, wenn Photonen reisten, an < C , Maxwell-Gleichungen würden nicht gelten. Man sollte Proca-Gleichungen verwenden. In diesem Fall, C wäre die Höchstgeschwindigkeit, nicht die Lichtgeschwindigkeit.
@jinawee Das meinte ich, C wäre dann nicht die Lichtgeschwindigkeit, sondern die unerreichbare Grenze, die beispielsweise bei Berechnungen relativistischer Effekte verwendet wird.
@ user38438: Das ist c wirklich. In Materialien bewegen sich Lichtwellen langsamer als c. Wir haben keine Möglichkeit zu wissen, ob sich Licht in einem perfekten Vakuum genau bei c bewegt, aber wir können experimentell verifizieren, dass dies eine extrem gute Annäherung ist, wenn nicht sogar exakt.

Woher wissen wir dann, dass sich Photonen bewegen? C [...] die Frage nicht genau "warum bewegt sich das Licht mit Lichtgeschwindigkeit?".

Die Frage scheint also präziser zu sein:

"Woher wissen wir, dass die Signalfront jedes Signals, das zwischen (geeigneten Ansammlungen von) elektromagnetischen Ladungen ausgetauscht wurde, dem Austausch von Quanten des elektromagnetischen Feldes zwischen diesen (Ansammlungen von) Ladungen zugeschrieben wird?"

Nun, per Definition stimmt das immer noch:
Da offenbar zwischen (geeigneten Ansammlungen von) elektromagnetischen Ladungen Signale ausgetauscht werden können, nennen wir die entsprechenden Signalfronten "Photonen".

Nachdem diese spezielle Frage a priori geklärt ist , bleiben natürlich viele andere Fragen, die experimentell angegangen werden könnten; wie zum Beispiel:

  • Welcher Wert (oder Werteverteilung) von „Brechungsindex N " charakterisiert die Region, die die Ladungen enthält? (Dies bezieht sich auf das elektromagnetische Feld in der Region, soweit es den "Signalschweif" darstellt oder als "stehende Welle" angesehen wird).) oder

  • Wurde als Teil des "Signalschweifs" noch etwas zwischen den betrachteten Ladungen ausgetauscht? (Wie Neutrinos oder Z-Bosonen oder die hypothetischen Proca-Teilchen usw.)

Licht hat immer keine Ruhemasse. Die winzige vernachlässigbare Schwerkraft würde das Licht nicht verlangsamen. Stattdessen kann es dem/den Photon/en Energie zuführen oder entziehen. Wir wissen, dass sich Licht mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, weil das die Geschwindigkeit der Kausalität ist. Wenn Licht irgendwie schneller als Licht wäre, wären Zeitreisen möglich, und wir wissen, dass das unmöglich ist. Licht hat Impuls, aber keine Masse. Einige Leute betrachten relativistische Masse und denken, dass Licht sie hat, aber das ist nicht dasselbe wie Ruhemasse.

Wenn das Photon keine Masse hat, haben Sie das erste Teilchen, das keine duale Natur hat. Ich weiß nicht, wer diesem Photon beigebracht hat, dass es keine Masse hat. Wenn Sie sagen, dass es bei Reisen mit Lichtgeschwindigkeit keine Ruhemasse hat, dann ist das in Ordnung. Denken Sie daran, wenn Sie die Lichtgeschwindigkeit auch im Vakuum verringern, wenn Sie können, wird die Ruhemasse winzig klein, wie stark Sie die Geschwindigkeit verringert haben. Wie Sie können, niemand hat eine Idee. Aber die Lichtgeschwindigkeit wurde in einem anderen Medium verringert, sodass das Photon dort eine Ruhemasse ungleich Null erhielt. Aber Photon hat überall Masse und auch Wellennatur, aber keine Ruhemasse als Annahme von nur einer Gleichung, weil ich denke, dass es so klein ist, damit Null nicht auf diese Zahl zurückgesetzt wird, wenn Sie Null auf -1 zurücksetzen, hat es wieder Masse. Aber diese Gleichung wird kompliziert und schwierig, die berühmte emc2, die nicht ganz korrekt ist, da sie nur für Teilchen gilt, die eine Geschwindigkeit von weniger als Licht haben. Für Licht kann es keine Masse messen, also nutzlos.