🧓 👨🏼‍🏫 💊 Wie nehmen Photonen die Zeit wahr? 〰️ 🤦🏿 🤪

Jeder hat einen Traum; Ich würde gerne bis zum Morgengrauen leben, aber ich weiß, dass ich noch weniger als drei Stunden habe. Es wird Nacht sein, aber es spielt keine Rolle. Es ist leicht zu sterben. Hierfür wird kein Licht benötigt. So sei es: Ich werde im Licht der Sterne sterben.
- Victor Hugo

Mit Lichtgeschwindigkeit bewegte Photonen, die von der Sonne emittiert werden, erreichen die Erde in etwa 8 Minuten. Eine Reise von 150 Millionen Kilometern durch den leeren Raum ist kein Hindernis für das Licht, aber für uns bedeutet dies, dass wir beim Betrachten der Sonne sie so sehen, wie sie kurz zuvor war, und nicht so, wie sie im Moment ist. Wenn die Sonne jetzt sofort verschwinden würde, würden wir nichts davon wissen - weder wegen des Lichts noch wegen der Schwerkraft - bis acht Minuten vergangen sind. Aber wie sieht es in Bezug auf ein Photon aus? Es ist bekannt, dass sich Einsteins SRT einschaltet, die Zeit verlangsamt und die Länge abnimmt, wenn Sie sich mit einer Geschwindigkeit bewegen, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähert. Photonen bewegen sich jedoch mit einer Geschwindigkeit, die nicht nahe, sondern gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Und wie altert dann das von der Sonne emittierte Photon, wenn es die Erde erreicht?

Es wird schwierig sein, mit Ihnen zu streiten, wenn Sie intuitiv "acht Minuten lang" antworten. Tatsächlich ist dieses Photon für uns so alt geworden. Wenn ein Spaziergang zu einem 0,8 km langen Geschäft acht Minuten dauert und Sie zum Geschäft gehen, sind Sie acht Minuten älter. Wenn der Verkäufer bemerkt hat, dass Sie in den Laden gehen, werden Sie für ihn ebenfalls acht Minuten alt. Und wenn wir uns einfach an die Newtonsche Definition der Zeit als absoluten Wert halten würden, würde dies für alles andere gelten. Jeder überall hätte das Gefühl gehabt, dass die Zeit unter allen Umständen mit der gleichen Geschwindigkeit vergeht. In diesem Fall konnte die Lichtgeschwindigkeit jedoch nicht konstant bleiben.

Stellen Sie sich vor, Sie stehen auf dem Boden und leuchten eine Laterne in eine Richtung, in der sich ein Objekt in einem Abstand von einer Lichtsekunde befindet. Stellen Sie sich nun vor, Sie rennen auf dieses Objekt zu und leuchten mit derselben Taschenlampe. Je schneller Sie laufen, desto schneller sollte sich Ihrer Meinung nach auch das Licht bewegen - mit Lichtgeschwindigkeit, kombiniert mit der Geschwindigkeit Ihres Laufs.

Warum ist das notwendig?

Stellen Sie sich vor, Sie haben eine Uhr dabei, aber keine, bei der sich Zahnräder drehen und Pfeile bewegen, sondern eine, bei der ein einzelnes Lichtphoton zwischen zwei Spiegeln auf und ab reflektiert wird. Wenn Ihre Uhr in Ruhe ist, bewegt sich das Photon auf und ab und Sekunden vergehen wie gewohnt. Aber wenn sich die Uhr bewegt, wie wird sich die Situation ändern?

Offensichtlich nimmt die Zeit zwischen den Reflexionen zu, wenn die Lichtgeschwindigkeit konstant bleibt. Wenn die Zeit für alle überall und unter allen Bedingungen mit der gleichen Geschwindigkeit floss, konnte die Lichtgeschwindigkeit beliebig sein. Je höher, desto schneller bewegte sich jemand. Um die Sache noch schlimmer zu machen, wenn jemand, der sich sehr schnell bewegt, die Taschenlampe zurückdrehen würde, würden wir sehen, dass sich das Licht fast nicht bewegt: es ist fast in Ruhe.

Aber Licht verhält sich nicht so und ändert seine Geschwindigkeit in einem Vakuum in keiner Situation, so dass wir wissen, dass eine solche Darstellung falsch ist.

1905 schlug Einstein seine spezielle Relativitätstheorie vor und stellte fest, dass das Scheitern des Michelson-Morley-Experiments sowie die Änderung der Länge und Geschwindigkeit des Zeitablaufs erklärt werden können, wenn die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine universelle Konstante ist. Dies bedeutet, dass ein sich schnell bewegender Beobachter sieht, dass er eine kürzere Strecke zurückgelegt hat und weniger zurückgelegt hat, als der ruhende Beobachter denkt.

Das an das ISS-Pier-Modul angedockte Sojus-Raumschiff wird Astronauten auf die Erde zurückbringen, die etwas älter sind, als wenn sie aufgrund der relativistischen Ausdehnung der Zeit am Boden geblieben wären.

Nach Ihrer Reise in den Laden würde Ihre Uhr dank Einsteins Relativitätstheorie - wenn sie vollkommen genau wäre und ursprünglich mit der Uhr des Verkäufers übereinstimmen würde - fast zwei Nanosekunden hinter der Uhr des Verkäufers liegen. Die Auswirkungen der Relativitätstheorie wirken immer, obwohl sie unter normalen Bedingungen gering sind.

Der Grund ist, dass sich Objekte nicht nur im Raum bewegen, sondern auch nicht nur in der Zeit vorwärts. Dies liegt daran, dass Raum und Zeit zu einem einzigen Raum-Zeit-Gefüge kombiniert werden.

Zum ersten Mal kam einer von Einsteins Lehrern, Deutscher Minkowski, 1908 auf die Idee, woraufhin er schrieb:

Die Ansichten über Raum und Zeit, die ich Ihnen vorstellen möchte, sind auf der Grundlage der experimentellen Physik gewachsen, und dies ist ihre Stärke. Sie sind radikal. Folglich ist der Raum an sich und die Zeit an sich dazu bestimmt, im Schatten zu verschwinden, und nur die Vereinigung der beiden wird in der Rolle der unabhängigen Realität bleiben.

Es funktioniert wie folgt: Alles und jedes bewegt sich immer durch die Raumzeit und immer auf eine bestimmte Weise: Sie bewegen sich in der Raumzeit um eine bestimmte Strecke, egal wie schnell Sie sich relativ zu allem anderen bewegen.

Die Ausdehnung der Zeit links und die Verringerung der Entfernungen rechts zeigen, wie die Zeit langsamer zu werden scheint und die Entfernungen kürzer zu sein scheinen, wenn sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern.

Wenn Sie sich aus einer bestimmten Perspektive schnell im Raum bewegen, bewegen Sie sich zeitlich langsamer: Daher dauerte eine Fahrt zum Geschäft 2 Nanosekunden weniger als der Verkäufer: Sie bewegten sich schneller durch den Raum, was bedeutet, dass Sie sich nach einer Weile bewegt haben langsamer. Wenn Sie sich auf dem Weg zum Geschäft mit einer Geschwindigkeit bewegen, die der Lichtgeschwindigkeit sehr nahe kommt - etwa 99,9999999% von s -, wäre für den Verkäufer 22.000 Mal mehr Zeit vergangen als für Sie.

In Anbetracht dessen kehren wir zum Photon zurück. Es bewegt sich nicht in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit, sondern genau mit der Lichtgeschwindigkeit. Und alle unsere Formeln geben endlose Antworten, wenn wir versuchen, das Verhalten eines Beobachters zu beschreiben, der sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Aber Unendlichkeit bedeutet nicht unbedingt die Fehler der Physik - manchmal bedeutet dies, dass die Physik der Intuition widerspricht. Wenn Sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, bedeutet dies:

• Im Prinzip können Sie keine Masse haben. Wenn Sie es besäßen, würden Sie unendlich viel Energie tragen. Du musst masselos sein.
• Sie werden Ihre Reise durch den Weltraum nicht wahrnehmen. Alle Entfernungen in Bewegungsrichtung werden auf einen Punkt reduziert.
• Sie werden den Lauf der Zeit nicht wahrnehmen. Ihre Reise wird Ihnen sofort erscheinen.

Für einen Beobachter auf der Erde wird Licht acht (8:20) Minuten vor seinem Anblick von der Sonne emittiert. Wenn wir die Reise des Photons beobachten könnten, würde es sich mit Lichtgeschwindigkeit den ganzen Weg fortbewegen. Aber wenn die Uhr an Bord dieses Photons wäre, scheint sie für uns stehen geblieben zu sein. Diese acht Minuten würden für uns wie üblich vergehen, aber das Photon würde den Lauf der Zeit nicht wahrnehmen.

Dies ist besonders überraschend, wenn Sie sich den fernen Galaxien des Universums zuwenden.

Das von ihnen emittierte Licht braucht Milliarden von Jahren, um uns aus der Sicht eines Beobachters in der Milchstraße zu erreichen. Während dieser Zeit bewirkt die Ausdehnung des Universums, dass sich der Raum ausdehnt und die Energie der emittierten Photonen deutlich abfällt: Es tritt eine kosmologische Rotverschiebung auf. Aber trotz dieser erstaunlichen Reise nimmt das Photon überhaupt nicht wahr, was wir Zeit nennen: Es wird einfach emittiert und dann sofort absorbiert, und die gesamte Reise findet buchstäblich sofort dafür statt. Anscheinend wissen wir, dass ein Photon überhaupt nicht altert.

Wie nehmen Photonen die Zeit wahr?

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