Sind Photonen gealtert?

Photonen können keine Perspektive haben.

Wenn wir ein Teilchen mit Masse haben, können wir uns vorstellen, einen Bezugsrahmen zu nehmen, in dem dieses Teilchen ruht. Wir können dann die Dinge „aus der Perspektive des Teilchens“ sehen. Aber es gibt keinen Bezugsrahmen, in dem ein Photon ruht. Photonen bewegen sich in jedem Bezugssystem immer mit Lichtgeschwindigkeit.

Wenn ich versuche, einen Bezugsrahmen aufzustellen, der sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, gibt es eine Singularität. Das Universum hat keine Zeit, und der gesamte Raum ist in zwei Dimensionen gequetscht. Ein Photon hat also auf sehr reale Weise keine Perspektive. Wir können Zeit nur in einem Bezugsrahmen betrachten, der sie einschließt. Es macht durchaus Sinn zu sagen, dass die Photonen in unserem Bezugssystem ein Jahr alt sind. Und das ist das Beste, was wir sagen können.

Es gibt eine relative Größe von$s^2$was definiert ist als$t^2-x^2$, Wo$t$ist der Zeitunterschied zwischen zwei Ereignissen, und$x$ist der Positionsunterschied (gemessen in Einheiten, so dass$c=1$). Wenn$s^2$positiv ist, dann ist die Quadratwurzel daraus die Eigenzeit. Wenn es negativ ist, dann die Quadratwurzel von$-s^2$ist der richtige Abstand. (Übrigens sind Eigenzeiten/Abstände unter Lorentz-Transformationen unveränderlich, dh sie sind in jedem Trägheitsbezugssystem gleich).

Die Eigenzeit ist die Zeit, die ein Objekt zwischen den beiden Ereignissen erlebt. Wir können schreiben$x = vt$, Wo$v$ist die Geschwindigkeit des Objekts, und dann haben wir$s = \sqrt {t^2-(vt)^2}$, und wir können die ausklammern$t$zu bekommen$s = t \sqrt {1-v^2}$. Dies ist die Zeitdilatation: je größer$v$ist, desto weniger Zeit haben wir für eine feste$t$. Wenn$v=c$, dann haben wir$s = t \sqrt {1-1}$(Denken Sie daran, wir haben solche Einheiten$c = 1$), also ist die Eigenzeit Null. Es gibt also keine richtige Zeit zwischen der Emission und Absorption eines Photons (abgesehen von einigen Komplikationen, wie z. B. einem Photon, das durch ein transparentes Medium wandert).

Wenn Sie also die Eigenzeit als "Alter" akzeptieren, dann hat ein Photon kein Alter. Wenn Sie eine andere Definition haben, dann könnte es ein Alter haben. In diesem Sinne "erfährt" das Photon keine Zeit, und es gibt kein "aus der Perspektive des Photons". Ein Beispiel für die Implikationen davon ist die Neutrino-Oszillation. Neutrino hat drei verschiedene Geschmacksrichtungen und sie werden zwischen ihnen oszillieren. Es war einst unbekannt, ob Neutrinos Masse haben, aber die Tatsache, dass Neutrinos oszillieren, erfordert, dass sie Masse haben. Wenn sie keine Masse hätten, würden sie mit reisen$c$und null Zeit haben. Aber Schwingungen finden im Laufe der Zeit statt, also ein Teilchen, das sich fortbewegt$c$würde nicht schwingen können.

Selbst wenn Sie die Definition der Eigenzeit durch „zurückgelegte Entfernung“ ersetzen, können Sie nicht garantieren, dass Sie diese Entfernung richtig angegeben haben. Angenommen, ein Photon wurde von interstellarem Wasserstoffgas absorbiert und dann mit einer anderen Wellenlänge wieder emittiert, war es ein neues oder ein altes Photon?

Die Zeit ändert sich nicht für das mit Photon verbundene System. Technisch gesehen wären die Photonen, die Sie haben, die mit nichts kollidiert sind, genauso alt wie der Stern selbst.

Aber wenn Wissenschaftler das Konzept des „Photonenalters“ einführen, betrachten sie es meist als Funktion seiner Wellenlänge. Daher verlieren Photonen, die in der Nähe der roten Zone des Schwarzen Lochs emittiert werden, ihre Energie$E=h \omega$, haben eine erhöhte Wellenlänge$\lambda=c\cdot 2\pi/\omega$bis zu unendlicher Wellenlänge (wenn Sie bei beginnen$g_{00}=0$). Mit anderen Worten, solche Photonen haben ein "unendliches Alter".

Da das Photon von einem fernen Stern emittiert wurde, erfährt es gemäß dem Gesetz von Hubble eine Rotverschiebung$v=H\cdot L$. Diese Rotverschiebung könnte stattdessen mit "Photonenalterung" in Verbindung gebracht werden. Was genau die gleiche Bedeutung haben wird, dass das gesamte Universum gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie eine Expansionstendenz mit Krümmung hat. „Photonenalterung“ in diesem Sinne wird also dasselbe sein wie die bereits in GR betrachtete Raum-Zeit-Krümmung, die das Duplikat sein wird.

Dies hängt davon ab, wer genau die Messung durchführt.

Es gibt ein sehr reales Gefühl, trotz der Antworten hier vielleicht entweder herunterzuspielen oder nicht direkt genug darauf einzugehen, in dem man vernünftigerweise sagen kann, dass die emittierten Photonen "eingefroren" und zeitlos sind, und das heißt, dass weder Photonen , noch irgendeine andere Art von masselosen Teilchen unterliegen irgendeiner Art von innerer Veränderung oder Evolution.

Die anderen Antworten deuten zu Recht darauf hin, dass es so etwas wie eine "Perspektive" von einem Photon aus nicht gibt - aber tatsächlich verleihen die Gründe dafür der Idee von "zeitlosen Photonen" Gewicht : Sie können keinen "Standpunkt" haben " eines Photons liegt daran , dass ein Photon keiner inneren Veränderung unterliegen kann, und der Grund dafür ist, dass es nicht altert (in einem sehr weiten physikalischen Sinne). Damit Sie "erfahren" können, muss Ihr materieller Organismus eine Art interner Dynamik durchlaufen - wie zum Beispiel die neuronalen Feuerungen, die die Informationsverarbeitungsmuster in Ihrem Gehirn bilden, die es Ihnen zumindest ermöglichen, die Zeit zu markieren und den Empfang von zu markieren Informationen aus externen Quellen. Aber ein Photon kann beides nicht.

Mathematisch gesehen kann das Konzept von Photonen, die „nicht altern“, in Bezug auf die richtige Zeitmetrik ihrer Weltlinie angegeben werden: die „Länge“ oder Metrik einer Kurve$\gamma$zwischen zwei beliebigen Punkten in der Raumzeit unter den üblichen Minkowski-Koordinaten$(t, x, y, z)$, Ist

. Dies kommt dem, was Sie meiner Meinung nach fragen, am nächsten: Obwohl es keine "Perspektive" ist, ist es ein "absolutes" Maß dafür, "wie viel etwas gealtert ist" während seines Übergangs zwischen zwei Punkten im Raum -Zeit. Und für Photonen$\tau = 0$immer - sie sind zeitlos.

Aber natürlich, aus der Sicht von jemandem auf der Erde , dann hängt dies von unserem Gleichzeitigkeitsstandard ab. In der Minkowski-Raumzeit gibt es eine natürliche - aber nicht ausschließliche - zu verwendende, nämlich die der gerade erwähnten "Minkowski-Koordinaten" mit einem festgelegten Wert von$t$, und davon hört man normalerweise, und nach diesem Standard sind die Photonen 1 Jahr alt. Aus Sicht des allgemein-relativistischen Denkens, das übrigens eigentlich die "vollständigere" Theorie der relativistischen Mechanik ist und nicht nur in ihren Lehren versagt, wenn wir den Fall der flachen Raumzeit betrachten, gibt es eigentlich nichts wesentlich über die Minkowski-Koordinaten. Es ist die oben erwähnte Raumzeit-Metrik, die zählt, und daher gibt es keinen völlig ehrlichen, nicht willkürlichen Sinn, bei dem "Gleichzeitigkeit" überhaupt Sinn macht - es ist besser, von "kausal verbunden" und "kausal getrennt" zu sprechen. ": ob zwei Raumzeitpunkte eine Nachricht von einem zum anderen senden können.

Wählen wir diesen Weg, um eine disziplinierte allgemein -relativitätsbewusste Betrachtungsweise der Situation vorzunehmen, können wir folgende Aussagen treffen: Die Emission von Photonen ist „gerade noch“ ursächlich mit ihrem Empfang auf der Erde verbunden, das durchlaufene Intervall ist also Null Die Photonen sind „aus ihrer eigenen [Nicht-]Sichtweise“ zeitlos, und die Hin- und Rücklaufzeit für das Hin- und Hersenden eines Photons beträgt zwei Jahre , und es hat keinen Sinn, „jetzt“ zu sprechen, es sei denn, Sie definieren es für mich aus welcher$\beth_1$Möglichkeiten, die Sie für mich als diejenige wünschen, die Sie nutzen möchten.

Die Antwort auf Ihre Frage " Sind Photonen gealtert? " lautet also:

Mit einer kleinen Anpassung der Definitionen, um zu dem zu kommen, was Sie wirklich wollen, wette ich, nein. Aber wenn wir uns dafür entscheiden, ein bisschen explorativer zu werden, ja , im Alter von einem Jahr. Und dann noch mehr, letzten Endes macht es keinen Sinn .

Nein, bei Lichtgeschwindigkeit ist die Zeit stationär, sagt Einstein, und sie wird sich nur verschlechtern, wenn sie mit etwas anderem interagiert. Und wie wir wissen, wird ein Photon für immer im Vakuum bleiben, wenn es ungehindert ist, und wenn ja, kann es keine Alterung geben