"Lichtmauer" durchbrechen?
Selbst wenn nichts schneller ist als das Licht, staut sich das Licht bei extrem schneller Geschwindigkeit auf wie der Schall bei sagen wir mal 800 km/h ? Oder kann man Licht und Schallwellen garnicht miteinander vergleichen - sind Lichtstrahlen überhaupt Wellen? Warum meinte Albert Einstein, dass die Zeit langsamer vergeht, je mehr man sich der Lichtgeschwindigkeit nähert?
6 Antworten
Warum meinte Albert Einstein, dass die Zeit langsamer vergeht, je mehr man sich der Lichtgeschwindigkeit nähert?
Weil das nach den Gesetzen der Elektrodynamik - aus denen die Existenz von sich mit c ausbreitenden elektromagnetischen Wellen hervorgeht - in Verbindung mit dem Galileischen Relativitätsprinzip so sein muss.
Erstere sind ja Naturgesetze, und gemäß Letzterem müssen Naturgesetze in relativ zueinander geradlinig-gleichförmig bewegten Koordinatensystemen dieselbe Form haben.
Es gibt dieses Lichtuhr-Gedankenexperiment: In einem Koordinatensystem K habe die Lichtgeschwindigkeit in jede Richtung den Betrag c, und ein Koordinatensystem K' bewege sich mit v = v*e_{x} relativ zu K.
K' führe nun eine Lichtuhr mit, eine Apparatur, in dem ein hin- und herwandernes Lichtsignal einen Takt vorgibt. Diese sei in y-Richtung ausgerichtet, und bezüglich K' bewege sich das Lichtuhr-Signal genau in y-Richtung mit einer gewissen Geschwindigkeit c'.
Bezüglich K bewegt sich das Lichtsignal natürlich im Zickzack mit
(v;+c';0) (hin), (v;-c;0) (zurück),
und da das Licht in K die Geschwindigkeit c haben soll, muss das
c'=√{c²−v²} = √{1−v²/c²}
bedeuten. Entlang des Lichtuhrarms ist es also langsamer, nämlich um den Faktor √{1−v²/c²}, und der Takt ist um den Kehrwert dieses Faktors länger als er bei v=0 wäre.
Nun verlangt das Relativitätsprinzip, dass auch ein in K' ruhender Beobachter c messen müsse. Daher müssen alle Uhren in K', quasi die Zeit selbst, um denselben Faktor √{1−v²/c²} verlangsamt sein.
Sie ist allerdings nicht wirklich verlangsamt, sondern nur gleichsam schräg, in dem Sinne, dass das, was in K' einfach die Zeitachse ist, in K auch einen räumlichen Anteil hat.
Lichtwellen unterscheiden sich schon insofern grundlegend von Schall- oder Wasserwellen, als dass letztere Materie benötigen, um sich auszubreiten, etwa eine Wasseroberfläche oder sonst etwas.
Früher erklärte man die Ausbreitung des Lichts mit einer Supersubstanz namens Weltäther, der nach den Erkenntnissen der Elektrodynamik im 19. Jhd. Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung schlechthin sein sollte.
Natürlich kann sich Licht auch in Materie ausbreiten, dann aber eher trotz als wegen der Materie, besonders, wenn sie so dicht ist wie z.B. Wasser. Es breitet sich darin deutlich langsamer aus, und dann gibt es tatsächlich eine "Lichtmauer", die durchbrochen werden kann und dies auch wird, etwa von Betateilchen (schnellen Elektronen) in einem Kernreaktor. Die optische Entsprechung des Überschallknalls in Form der sogenannten Tscherenkow-Strahlung wird als blaues Leuchten sichtbar.
Nicht überholen und auch nicht einholen kann Materie jedoch eine Lichtwelle im materiefreien Raum.
Bewegt sich ein Licht aussendender Körper mit annähernd Lichtgeschwindigkeit relativ zu einem gegebenen Bezugssystem K, so ist das Licht, das er in Flugrichtung aussendet, in K betrachtet stark "gestaucht" und damit "blauverschoben" und sehr energiereich. Im eigenen Ruhesystem K' betrachtet bewegt es sich ohne Frequenzverschiebung ganz normal vorwärts. Dafür ist von hinten kommendes Licht extrem langgezogen und so energiearm, dass es kaum mehr vorhanden ist.
Auf Lichtwellen kann man nicht surfen; wenn man versucht, sich mit der gleichen Geschwindigkeit zu bewegen, verschwindet es regelrecht, indem die Wellen immer länger und kleiner werden.
Elektromagnetische Strahlung wird denke ich ... im Vakuum nicht mit zunehmender Distanz abgeschwächt.
Allerdings ist kein Vakuum perfekt, und auf mit wachsender Distanz quadratisch wachsender Fläche verteilt wird das Licht schon.
Interessant wäre dann auch, ob ein Teilchen ein Photon genau so emittieren kann, dass die Flugbahn eines zuvor absorbierten Photons beibehalten wird,...
Nein, deshalb sieht man ja auch Absorptionslinien, und so verraten sich Atome und Moleküle in den Tiefen des Weltraums.
Beim Schall sind es dagegen ja die Teilchen selbst, die Schwingen, nicht?
Ja. Deshalb können Schallwellen nicht beliebig kurz sein. Übrigens kann selbst Schall nicht beliebig "schwach" sein, auch Schwingungsenergie ist quantisiert.
Schallquanten (Phononen) sind Quasiteilchen und mitunter für den elektrischen Widerstand in Metallen verantwortlich.
Oh, ich vergaß, mit Teilchen meinte ich die kleinstmögliche oder simpelste (für meine laienhaften Vorstellungen) Form, welche Photonen emittieren kann, auch wenn es dazu nicht einmal Materie braucht (Felder: https://de.wikipedia.org/wiki/Photon#Erzeugung_und_Detektion). Werden sie bei Annihilation eigentlich auch in einem Feld erzeugt?
Ich schätze meine auf Alltagserfahrung reduzierte Vorstellung ist für sowas grobfalsch und hilft nicht beim Verständnis?
Ähem, Frage selbst beantwortet, Thread closed. ^^
Je mehr man sich der Lichtgeschwindigkeit nähert, umso langsamer vergeht die Zeit. Da Geschwindigkeit aber Strecke/Zeit ist und "Zeit" immer größer wird, kann man die Geschwindigkeit nicht einfach erhöhen.
Warum vergeht die Zeit langsamer, je mehr man sich der Lichtgeschwindigkeit nähert? o.o
es ist durchaus möglich sich in einem medium schneller als das licht zu bewegen, dadurch entsteht zb. Cherenkov-Strahlung, dieser effekt ist analog zum durchbrechen der schallmauer und führt zb im wasser von atomreatoren zu einem blauen leuchten
Ich bin was das angeht absolut nicht bewandert, deswegen frage ich lieber mal nach. Zu meinem Verständnis, stimmt folgendes?
Elektromagnetische Strahlung wird denke ich (abgesehen von Phänomenen wie Rotverschiebung bei Expansion von Raumzeit) im Vakuum nicht mit zunehmender Distanz abgeschwächt.
Klar, wenn man mehrere Wellen betrachtet, aus einem beliebig kleinen Punkt emittiert, (perfekt parallel zueinander ausgesendete wird es wohl nicht geben, oder sie wären vernachlässigbar selten) so gesehen gäbe es eine Streuung ab der Quelle über eine bestimmte Distanz, je nach Winkel und ohne Einfluss von Gravitation (Raumkrümmung) auf dem Weg oder was noch dazu in der Lage wäre. [ob kleinste Teilchen, welche Photonen emittieren, ebenfalls durch ihre Masse und ohne die Anwesenheit anderer Teilchen, eine auf Skalen unseres beobachtbaren Universums unmessbare aber dennoch existente Ablenkung erzeugen könnten? Falls sie eine Geometrie besäßen und zwei Photonen rechtwinklig zum Massenschwerpunkt emittiert? Oder könnte es gar versetzt emittiert werden aber ebenso parallel zum rechten Winkel eines gedachten Massenschwerpunktes?]
Nur durch Streuung, also Absorption und Re-Emittierung an Materie, nimmt die Wellenlänge in einem Vakuum ab, richtig?
Interessant wäre dann auch, ob ein Teilchen ein Photon genau so emittieren kann, dass die Flugbahn eines zuvor absorbierten Photons beibehalten wird, so "als wäre nie Materie im Weg gewesen", also lediglich mit Abschwächung der Wellenlänge verbunden, aber ohne einen "random walk" mehrerer Teilchen zu benötigen. Emittierung quasi in perfektem 180°-Winkel (vielleicht versetzt, aber parallel dazu).
Zum Schall:
Beim Schall sind es dagegen ja die Teilchen selbst, die Schwingen, nicht?
Die Größen werden mit zunehmender Distanz, da sich die Ausbreitung u.a. ja auf stets größere Volumina verteilt? kleiner. Ich frage mich, was die kleinstmögliche mittlere Dichte ist, damit Schall propagieren kann und wo die unterste Grenze im Frequenzbereich läge (nicht nur messbare Grenze), die kleinstmögliche Energie sozusagen, die noch weitergetragen würde.
Es muss irgendwo ein kleinstmöglicher Abstand zwischen Teilchen notwendig sein, damit sich diese gegenseitig durch Kräfte beeinflussen können, oder?
Je nach Teilchen wird dieser wohl auch variieren, da die Kräfte sich je nach deren Art unterscheiden.
Für unsere Wahrnehmung spielt bei Licht die Wellenlänge (im visuellen Spektrum), bei Schall hingegen die Frequenz (in einem für uns hörbaren Spektrum) eine Rolle?
Bitte korrigiere mich überall wo möglich, ich hoffe ich habe es nicht zu missverständlich und schwer lesbar formuliert :)