Ist die Lichtgeschwindigkeit eine universelle Raumzeitkonstante, die Geschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen oder von Photonen?

Es scheint, dass der Elektromagnetismus im Vergleich zu anderen Theorien eine überragende Rolle im Universum spielt

Das ist nicht wahr. Es spielte eine wichtige historische Rolle, ist aber keineswegs theoretisch "einzigartig", weil sich das Photon mit der Geschwindigkeit c fortbewegt. Tatsächlich bewegt sich das Gluon auch mit der Geschwindigkeit c. Wenn sich herausstellte, dass Photonen leicht massiv sind, würde das viele Dinge ändern, aber es würde die Relativitätstheorie nicht ändern. An diesem Punkt haben wir eine gut konstruierte Theorie, nach der sich alle und nur masselose Teilchen mit der Geschwindigkeit c fortbewegen. Mit anderen Worten, das Photon ist nur historisch zentral für die Relativitätstheorie, nicht konzeptionell.

die Raum-Zeit-Lichtgeschwindigkeit (mit Großbuchstaben) ist eigentlich eher eine universelle Konstante, die nicht unbedingt mit der Geschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen oder der Photonen zusammenhängt.

Sie haben sich Ihre Frage so ziemlich selbst beantwortet, denn das ist genau richtig. Historisch gesehen führten Fragen zu Trägheitsreferenzrahmen und Elektromagnetismus zur Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie. Innerhalb der Relativitätstheorie taucht eine wichtige Geschwindigkeitskonstante auf. Wenn das Photon tatsächlich masselos ist, dann sollte diese Geschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit sein. Selbst wenn sich herausstellen sollte, dass das Photon massiv ist, verpflichtet uns das keineswegs, unsere Theorie umzuschreiben. Es bedeutet nur, dass das historische Werkzeug, das wir benutzt haben, um die Relativitätstheorie aufzubauen, nicht genau das war, was wir dachten, aber es war nah genug für die frühe Entwicklung der Theorie. Unser derzeitiges theoretisches Verständnis des Minkowski-Raums (der durch die spezielle Relativitätstheorie beschriebenen Raum-Zeit-Geometrie) hängt nicht vom Elektromagnetismus ab, sondern umgekehrt:

Eine schnelle alternative Perspektive:

1. Nicht wirklich. Die Relativitätstheorie erfordert lediglich die Existenz einer unveränderlichen Geschwindigkeit$c$, es ist nicht erforderlich, dass irgendetwas tatsächlich mit dieser Geschwindigkeit fährt. Wenn also Photonen massiv wären, gäbe es kein Problem, obwohl einige Ergebnisse in der Kosmologie möglicherweise etwas modifiziert werden müssten.
2. So ziemlich jedes Mal, wenn du es siehst,$c$bedeutet die unveränderliche Geschwindigkeit. Wenn also Photonen als massiv entdeckt würden, müssten wir ein anderes Symbol für die Geschwindigkeit verwenden, mit der sich Licht tatsächlich ausbreitet – und beachten, dass es keine feste Konstante mehr wäre, da in diesem Fall die Lichtgeschwindigkeit die Referenz wäre Rahmenabhängig. Unter Umständen werden Sie sehen$c$verwendet, um die Geschwindigkeit einer Welle zu bezeichnen, die nicht unbedingt die unveränderliche Geschwindigkeit der Relativitätstheorie sein muss, aber diese sind relativ selten und normalerweise leicht genug aus dem Kontext herauszulesen.

1.Wäre es wirklich verheerend für die Relativitätstheorie, dass wir in der Zukunft herausfinden, dass Photonen eine winzige Masse haben und sich langsamer bewegen als ... äh ... Lichtgeschwindigkeit?

Wie der Ausdruck " ... uhh ... " in Ihrer Frage vorwegnimmt:
In dieser Frage lauert eine gewisse Verwüstung; nämlich ein Widerspruch zum wesentlichen Verständnis von „ Licht “ als „jedes beliebige Signal, verbunden mit der Signalfront “ zum Zwecke der Definition geometrischer (oder kinematischer) Begriffe wie z

• gegenseitige Ruhe (auch bekannt als gemeinsame Mitgliedschaft in einem Trägheitsrahmen) der Teilnehmer,

• Dauer, oder zumindest: Dauerverhältnisse,

• Abstand (zwischen zueinander ruhenden Teilnehmern), oder zumindest: Abstandsverhältnisse, und

• Geschwindigkeit;

nicht einmal auf nachträglich definierte Dynamikbegriffe wie „ Masse “ oder „Brechungsindex“ einzugehen.

Die enge Assoziation von " Licht " im oben erläuterten Sinne mit dem Austausch von Signalen zwischen elektromagnetischen Ladungen ist nur darauf zurückzuführen, dass (aus) elektromagnetischen Ladungen bestehende Systeme in unserer speziellen Ecke / Ära besonders verbreitet und auffällig sind Universum.

2.Welches "c" ist in verschiedenen Situationen anwendbar? [...]

Das „c“, das vor allem als (von Null verschiedener) symbolischer Koeffizient in die Definition von „Distanz“ als „c/2 Ping-Dauer“ eingeführt wird, erscheint immer als Signalfrontgeschwindigkeit ; im Einklang mit der Bedeutung von "ping" und der entsprechenden Dauer.

In Einsteins anfänglicher Herangehensweise an die relativistische Geometrie und Kinematik erscheint die Definition von Entfernung (wie man sie misst) immer noch umgekehrt (und nicht koordinatenfrei):

„ Der Erfahrung nach nehmen wir an, dass die Größenordnung$\frac{2\ \overline{AB}}{t'_{A}-t_{A}}=c$, Wo$c$ist eine universelle Konstante [die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum]. "

Das Verständnis von (wie zu messen) "Entfernung" als ein Begriff, der zunächst definiert werden muss, wurde später von Einstein wohl in der Vorschrift that zum Ausdruck gebracht

„ Alle unsere wohlbegründeten Raum-Zeit-Aussagen laufen auf die Bestimmung von Raum-Zeit-Koinzidenzen [wie etwa] Begegnungen zwischen zwei oder mehr erkennbaren materiellen Punkten hinaus “ ;

und am deutlichsten vielleicht von JL Synge ["Relativität. Die allgemeine Theorie", p. 108]:

"Für uns ist Zeit [Dauer] das einzige grundlegende Maß. Länge [Entfernung] ist streng genommen ein abgeleitetes Konzept".

alle drei bewegen sich mit der gleichen konstanten Geschwindigkeit, die c ist. Der Grund für den Beweis ist, dass sich Gravitationswellen mit derselben Geschwindigkeit ausbreiten. Und selbst die Auswirkungen der Schwerkraft bewegen sich mit Geschwindigkeit c. Das ist der Grund, warum ich sage, dass sich die Struktur der Raumzeit nur mit dieser Geschwindigkeit ändern kann. Habe ich Recht zu sagen, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, weil die Struktur der Raumzeit selbst irgendwie durch sie hindurchtretende EM-Wellen aufnehmen muss? Liege ich richtig, dass noch niemand Gravitation mit QM kombiniert hat? In der QM heißt es derzeit, dass jedes Teilchen seine eigene Wellenfunktion hat, die seine Wahrscheinlichkeitsverteilung an und um seine Koordinaten im Raum beschreibt. GR erklärt die Auswirkungen der Schwerkraft, aber nicht, wie sie funktionieren. Da sich die EM-Wellen nur mit der Geschwindigkeit c durch den Raum ausbreiten können und sich die Auswirkungen der Schwerkraft nur mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten können,

Der Grund dafür ist nun, dass der Raum selbst nur in dieser Geschwindigkeit seine eigene Struktur verändern kann. Warum? Kombinieren wir GR mit QM. Nehmen wir an, nicht nur Partikel haben ihre eigene Wellenfunktion, sondern der Raum selbst "speichert" auch eine Wellenfunktion für jede seiner räumlichen "Koordinaten" oder Positionen. Im Raum wäre also jede 3D-Koordinate nicht nur ein Punkt, sondern hätte auch selbst eine Wellenfunktion. So wie QM auch sagt, dass der Raum nicht leer ist, hat es überall Q-Felder. Wenn es also überall Qfields enthält, kann es überall eine Wellenfunktion haben.

Diese Wellenfunktion macht dasselbe für eine bestimmte räumliche Koordinate wie die normale Wellenfunktion (die zum Teilchen selbst gehört) mit dem Teilchen, sie zeigt nur die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Teilchens an seinen eigenen Koordinaten und um es herum im Raum. Der Raum selbst hätte also nicht nur Qfields an jeder einzelnen Raumkoordinate, sondern auch eine Wellenfunktion. Nehmen wir an, es gibt eine Wellenfunktion für Punkt A und Punkt B. Wenn Punkt A und B keine Partikel an ihren Positionen haben (sie also "leer" sind), zeigt die Wellenfunktion für Punkt A eine neutrale Verteilung der Möglichkeiten (höchstwahrscheinlich 0 für seine eigenen Koordinaten und die umgebenden Raumkoordinaten).

Die Wellenfunktion für Punkt B zeigt dasselbe. Wenn nun ein Photon in Punkt A eintritt, beginnt sich die Wellenfunktion von Punkt A zu ändern und zeigt zuerst höhere Wahrscheinlichkeiten an den umgebenden räumlichen Koordinaten in der Richtung, aus der das Photon kommt, und dann, wenn das Photon Punkt A passiert, die Wellenfunktion von Punkt A wird höhere Wahrscheinlichkeiten auf dem Weg zeigen, auf dem das Photon es und seine räumliche Umgebung passiert, schließlich an den Mittelpunktskoordinaten von A und dann in Richtung des Durchgangs des Photons.

Wenn schließlich das Photon Punkt A passiert hat, zeigt die Wellenfunktion für Punkt A niedrigere Wahrscheinlichkeiten bei den räumlichen Umgebungskoordinaten, aus denen das Photon kam, und bei den Zentrumskoordinaten von Punkt A und zeigt höhere Wahrscheinlichkeiten in der Richtung, in der das Photon weiterging. Wenn sich das Photon dann zu Punkt B bewegt, zeigt die Wellenfunktion für Punkt B und seine räumliche Umgebung höhere Wahrscheinlichkeiten in der Richtung, aus der das Photon kommt (d. h. in die Richtung von Punkt A), und wenn das Photon Punkt B passiert , wird es höhere Wahrscheinlichkeiten auf dem Weg zeigen, auf dem das Photon es passiert. Irgendwann passiert das Photon Punkt B und setzt seinen Weg zu Punkt C fort. Irgendwann wird die Wellenfunktion von Punkt A wieder neutral,

Kombinieren wir dies nun mit Schwerkraft und GR. Nehmen wir an, es gibt eine riesige Gravitationsmasse an Punkt B. Punkt A ist "leer", aber immer noch innerhalb des Gravitationsfeldes der riesigen Masse. Die riesige Masse an Punkt B wird also eine Gravitationswirkung auf Punkt A haben. Wie? Nun, die Wellenfunktion an Punkt B wird nicht neutral sein, da die Wirkung der riesigen Masse an Punkt B auch auf Punkt A wirkt! Es ändert auch die Wellenfunktion am Punkt A! Wie sieht die Wellenfunktion am Punkt A aus? Es zeigt höhere Wahrscheinlichkeiten in Richtung Punkt B, wo sich die riesige Masse befindet! Und niedrigere Wahrscheinlichkeiten für die eigenen Koordinaten und in die andere Richtung (nicht in Richtung B). Wie funktioniert die Schwerkraft dann, wenn wir GR und QM kombinieren? Nehmen wir an, ein Photon kommt von Punkt C, der noch weiter von der Gravitationsmasse entfernt ist.

Wenn sich das Photon auf den Weg zu Punkt A macht, sollte es genau wie im vorherigen Beispiel passieren, aber das wird es nicht! Warum? Denn im vorigen Beispiel befanden sich A und B beide außerhalb jeglicher Gravitationsfelder und hatten neutrale Möglichkeitsverteilungswerte für ihre eigenen Koordinaten und ihre räumliche Umgebung. Aber jetzt gibt es eine schwere Masse an Punkt B, die auch die Wellenfunktion von Punkt A beeinflusst! Wenn das Photon also Punkt A passieren will, tritt es in die Wellenfunktion von Punkt A ein, die höhere Wahrscheinlichkeiten in Richtung von Punkt B, der riesigen Masse, zeigt.

Wenn es also Punkt A passiert, wird seine eigene Wellenfunktion (3D- oder 4D-Matrix der Verteilung von Möglichkeiten für die Mittelkoordinate von Punkt A und seine räumliche Umgebung) mit der eigenen Wellenfunktion des Photons kombiniert (das ist bereits in QM, nur eine weitere Matrix der Verteilung von Möglichkeiten). für die tatsächliche Koordinate des Photons und seine räumliche Umgebung). Wenn also die beiden Matrizen kombiniert werden, ändert die Wellenfunktion für Punkt A die Richtung des Photons, wenn es hindurchgeht, genau wie GR vorhersagt. Und genau wie QM vorhersagt, wird alles durch die Kombination von Wellenfunktionen und Verteilung von Wahrscheinlichkeiten beschrieben. Die aktuelle Wellenfunktion des QM bleibt ebenfalls intakt, da das Photon auch seine eigene Wellenfunktion behält (das sollte wie ein Impulsvektor aussehen,

Aus heutiger Sicht ist es nicht unbedingt eines dieser Dinge. Da die Relativitätstheorie Raum und Zeit gleichberechtigt behandelt, dient die Konstante c dazu, Sekunden in Meter umzurechnen. In diesem Sinne könnte es als universelle Konstante angesehen werden, da wir räumliche Entfernungen mit anderen Instrumenten messen als zeitliche Entfernungen.

Der Zusammenhang von c mit der Lichtgeschwindigkeit ist hauptsächlich historisch. Einstein wollte die Maxwell-Gleichungen erklären und tat dies, indem er die Galileische Invarianz aufgab. Die Maxwell-Gleichungen sind nur dann genau richtig (und Licht breitet sich nur bei c aus), wenn das Photon masselos ist.

Es ist möglich, eine relativistisch korrekte Theorie des Elektromagnetismus zu erstellen, in der das Photon nicht masselos ist und Photonen daher wie jedes andere massive Teilchen sind und die Maxwell-Gleichungen nur annähernd korrekt sind. Dies wurde erstmals um 1913 durchgeführt und ist als Proca Lagrange bekannt. Die experimentellen Grenzen der Photonenmasse erfordern, dass die Masse extrem klein ist, wenn sie nicht masselos ist. Auf Anhieb kenne ich die neuesten Grenzwerte nicht.