Die Sonne und die Erde von der ISS. Während das Licht der Erde weniger als eine Sekunde alt ist, ist die Sonne mehr als acht Minuten alt. Bildnachweis: NASA / Internationale Raumstation.

Wie erleben Photonen Zeit?

Wir sehen, wie sich Wellenlänge, Energie sowie elektrische und magnetische Felder im Laufe der Zeit ändern. Wie erleben sie es also?

„Jeder hat seinen Traum; Ich würde gerne bis zum Morgengrauen leben, aber ich weiß, dass ich noch weniger als drei Stunden Zeit habe. Es wird Nacht sein, aber egal. Sterben ist einfach. Es braucht kein Tageslicht. So sei es: Ich werde im Sternenlicht sterben. “–Victor Hugo

Auf der Fahrt mit Lichtgeschwindigkeit benötigen die von der Sonne emittierten Photonen etwas mehr als acht Minuten, um die Erde zu erreichen. Die 150 Millionen Kilometer lange Reise über die Weite des leeren Raums ist kein Hindernis für dieses Licht, aber es bedeutet, dass wir die Sonne so sehen, als ob es eine kurze Zeit in der Vergangenheit gewesen wäre, nicht wie es aus unserer Sicht augenblicklich ist. Wenn die Sonne im Moment nicht mehr existieren würde, würden wir sie erst acht Minuten später kennen - nicht von ihrem Licht, nicht von ihrer Schwerkraft. Aber was ist aus der Sicht des Photons? Wir wissen, dass die Einsteinsche Theorie der speziellen Relativitätstheorie einsetzt, wenn Sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern und die Zeit sich erweitert, während sich die Längen zusammenziehen. Photonen bewegen sich jedoch nicht in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit, sondern eher bei dieser. Wie viel hat ein Photon, das von der Sonne emittiert wird, mit der Zeit gealtert, bis es die Erde erreicht?

Wenn Ihre Intuition nur "acht Minuten" lautet, fällt es mir schwer, mit Ihnen zu streiten. So altert das Photon für uns. Wenn ein Spaziergang von 0,8 km zum Geschäft acht Minuten dauert und Sie zum Geschäft gehen, werden Sie acht Minuten alt. Und wenn die Ladenbesitzerin zuschaut, wie Sie zum Laden gehen, weiß sie, dass Sie auch acht Minuten alt sind. Wenn wir uns nur an die Newtonsche Definition der Zeit halten würden - mit der Vorstellung, dass Zeit eine absolute Größe ist -, würde dies für absolut alles im Universum zutreffen: Jeder, überall würde die Zeit unter allen Umständen mit der gleichen Geschwindigkeit vergehen. Wäre dies jedoch der Fall, könnte die Lichtgeschwindigkeit nicht konstant sein.

Eine Taschenlampe im Dunkeln leuchten lassen. Bildnachweis: Pixabay-Benutzer StockSnap.

Stellen Sie sich vor, Sie stehen still auf dem Boden und richten eine Taschenlampe in eine Richtung auf ein Objekt, das eine Lichtsekunde entfernt ist. Stellen Sie sich nun vor, Sie rennen auf dasselbe Objekt zu und leuchten mit derselben Taschenlampe. Je schneller Sie rennen, desto schneller sollten Sie damit rechnen, dass das Licht erlischt. Es sollte sich mit jeder Geschwindigkeit bewegen, mit der sich das ruhende Licht bewegt, und mit jeder Geschwindigkeit, mit der Sie rennen.

Warum sollte dies eine Notwendigkeit sein?

Ich möchte, dass Sie sich vorstellen, dass Sie eine Uhr haben. Statt einer Uhr, bei der sich ein Gang dreht und sich die Zeiger bewegen, haben Sie eine Uhr, bei der ein einzelnes Lichtphoton zwischen zwei Spiegeln auf und ab springt. Wenn Ihre Uhr in Ruhe ist, sehen Sie, wie das Photon auf und ab springt und die Sekunden wie gewohnt vergehen. Aber wenn sich Ihre Uhr bewegt und Sie darauf schauen, wie werden die Sekunden jetzt vergehen?

Eine leichte Uhr, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähert, scheint langsamer zu laufen als ein ruhender Beobachter. Bildnachweis: John D. Norton, über http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/Special_relativity_clocks_rods/.

Es ist klar, dass es länger dauert, bis die Bounces auftreten, wenn die Lichtgeschwindigkeit immer konstant ist. Wenn die Zeit für alle Menschen überall und unter allen Bedingungen gleich schnell läuft, ist die Lichtgeschwindigkeit beliebig hoch, je schneller sich etwas bewegt. Und was noch schlimmer ist: Wenn sich etwas sehr schnell bewegte und dann eine Taschenlampe in die entgegengesetzte Richtung schaltete, sahen wir, dass sich das Licht kaum bewegte: Es würde fast in Ruhe sein.

Da das Licht dies unter keinen Umständen tut oder seine Vakuumgeschwindigkeit ändert, wissen wir, dass dieses naive Bild falsch ist.

Licht scheint sich im Vakuum immer mit der gleichen Geschwindigkeit zu bewegen - der Lichtgeschwindigkeit - unabhängig von der Geschwindigkeit des Betrachters. Bildnachweis: Pixabay Benutzer Melmak.

1905 stellte Einstein seine Theorie der speziellen Relativitätstheorie vor und stellte fest, dass das gescheiterte Michelson-Morley-Experiment und die Phänomene der Längenkontraktion und Zeitdilatation erklärt werden würden, wenn die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum eine universelle Konstante wäre, c. Dies bedeutet, je schneller sich etwas bewegt - je näher es der Lichtgeschwindigkeit kommt -, dass jemand, der es in Ruhe betrachtet, seine eigenen Zeiten und Entfernungen wie normal sieht, aber jemand, der auf dem sich schnell bewegenden Objekt „reitet“, sieht, dass er eine kürzere Strecke zurücklegt Entfernung und reiste für eine kürzere Zeit als der Beobachter, der in Ruhe blieb.

Ein Sojus-Raumschiff, das an das Pirs-Docking-Abteil der Internationalen Raumstation (ISS) angedockt ist, wird feststellen, dass seine Astronauten aufgrund der relativistischen Zeitdilatation etwas weniger gealtert sind, als sie auf der Erde geblieben waren. Bildnachweis: NASA.

Wenn Sie diese acht Minuten zu Fuß zum Laden zurücklegen, würde die Zeit auf Ihrer Uhr dank Einsteins Relativitätstheorie - vorausgesetzt, sie war sehr genau und passte genau zu der Uhr des Ladenbesitzers, bevor Sie gingen - jetzt knapp zwei Nanosekunden vor der Ladenbesitzer Uhr! Die Auswirkungen der Relativitätstheorie spielen immer eine Rolle, auch wenn sie in den meisten Fällen gering sind.

Der Grund dafür ist, dass sich Dinge nicht nur durch den Raum bewegen und sich nicht nur in der Zeit vorwärts bewegen. Es liegt daran, dass Raum und Zeit als Teil eines einheitlichen Gefüges verbunden sind: Raumzeit.

Das Verziehen der Raumzeit durch Gravitationsmassen. Bildnachweis: LIGO / T. Pyle.

Dies wurde erstmals 1908 von Hermann Minkowski, einem ehemaligen Lehrer Einsteins, realisiert, der sagte:

Die Ansichten von Raum und Zeit, die ich vor Ihnen aufstellen möchte, sind aus dem Boden der Experimentalphysik entsprungen, und darin liegt ihre Stärke. Sie sind radikal. Von nun an ist der Raum für sich und die Zeit für sich dazu verdammt, in bloße Schatten zu verschwinden, und nur eine Art Vereinigung der beiden wird eine unabhängige Realität bewahren.

Das funktioniert so, dass sich jeder und alles, was überhaupt existiert, immer durch die Raumzeit bewegt, und sie bewegen sich immer durch die Raumzeit mit einer ganz bestimmten Beziehung: Sie bewegen einen bestimmten Betrag durch die Kombination der beiden, egal wie Sie sich relativ zu irgendetwas anderem bewegen.

Die Zeitdilatation (L) und die Längenkontraktion (R) zeigen, wie die Zeit langsamer zu verlaufen scheint und die Entfernungen kleiner zu werden scheinen, je näher Sie der Lichtgeschwindigkeit kommen. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Zayani (L) und JRobbins59 (R).

Wenn Sie sich von einem bestimmten Standpunkt aus schnell durch den Weltraum bewegen, brauchen Sie weniger Zeit. Deshalb war Ihre Zeitreise, als Sie zum Laden gingen, etwa 2 Nanosekunden kürzer als die der Ladenbesitzerin: Sie haben sich schneller durch den Weltraum bewegt als sie und so bist du ein bisschen weniger durch die Zeit gegangen als sie. Wenn Sie sich schneller bewegen, ist Ihre Uhr sogar noch weiter vorne. In der Tat, wenn Sie sich sehr nahe an die Lichtgeschwindigkeit heranbewegen - wenn Sie sich auf dieser Reise zum Geschäft mit 99,9999999% der Lichtgeschwindigkeit bewegen -, egal wie weit das Geschäft entfernt ist, würde der Ladenbesitzer diese 22.000-fache Zeit sehen passierte für sie wie für dich.

Eine relativistische Reise zur Konstellation des Orion. Bildnachweis: Alexis Brandeker, über http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SR/Spaceship/spaceship.html. StarStrider, ein relativistisches 3D-Planetariumsprogramm von FMJ-Software, wurde zur Erstellung der Orion-Illustrationen verwendet.

Kommen wir nun zu dem Photon selbst. Es bewegt sich nicht in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit, sondern tatsächlich mit Lichtgeschwindigkeit. Alle unsere Formeln, um zu beschreiben, wie es für einen Beobachter ist, geben uns Antworten mit Unendlichkeit, wenn es darum geht, zu fragen, was mit Lichtgeschwindigkeit geschieht. Aber Unendlichkeiten bedeuten nicht immer, dass die Physik falsch ist. Sie bedeuten oft, dass die Physik etwas Unintuitives tut. Wenn Sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, bedeutet dies Folgendes:

  • Sie können absolut keine Masse haben; In diesem Fall würden Sie unendlich viel Energie mit Lichtgeschwindigkeit transportieren. Sie müssen massenlos sein.
  • Sie werden keine Ihrer Reisen durch den Weltraum erleben. Alle Abstände entlang Ihrer Bewegungsrichtung werden auf einen Punkt reduziert.
  • Und du wirst den Lauf der Zeit nicht erleben; Ihre gesamte Reise erscheint Ihnen augenblicklich.
Die Erde-Sonne-Distanz dauert etwas mehr als acht Minuten, bis das Licht aus unserer Perspektive durchscheint. Aus der Perspektive eines Photons ist die Reise jedoch augenblicklich. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer LucasVB.

Für einen Beobachter hier auf der Erde wird das Licht etwa acht Minuten (eher 8:20) vor dem Empfang von der Sonne ausgestrahlt, und wenn wir die Photonenbewegung „beobachten“ könnten, würde es sich anscheinend mit der Geschwindigkeit von bewegen Licht während der gesamten Reise. Wenn sich jedoch eine "Uhr" an Bord dieses Photons befände, schien sie für uns völlig gestoppt zu sein. Während diese knapp über acht Minuten für uns normal verstrichen wären, würde das Photon absolut keine Zeit verstreichen.

Dies wird besonders störend, wenn wir entfernte Galaxien im Universum betrachten.

Das Hubble eXtreme Deep Field (XDF), die tiefste Sicht auf das ferne Universum, die jemals aufgenommen wurde. Bildnachweis: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee und P. Oesch, Universität von Kalifornien, Santa Cruz; R. Bouwens, Universität Leiden; und das HUDF09 Team.

Das von ihnen ausgestrahlte Licht benötigt Milliarden von Jahren, um uns aus unserer Sicht als Beobachter in der Milchstraße zu erreichen. Während dieser Zeit bewirkt die Expansion des Universums, dass sich der Raum ausdehnt und die Energie der emittierten Photonen enorm fällt: eine kosmologische Rotverschiebung. Trotz dieser unglaublichen Reise erfährt das Photon selbst nichts von dem, was wir als Zeit kennen: Es wird einfach emittiert und dann sofort absorbiert und erlebt die Gesamtheit seiner Reisen durch den Raum in buchstäblich kürzester Zeit. Nach allem, was wir wissen, altert ein Photon niemals in irgendeiner Weise.

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!