Foton evreni nasıl deneyimler?
Bir Blazar gök cismi, nötrinolar ve gama ışınları üreten pion protonlarının üretimini hızlandırıyor. Aynı zamanda foton üretir. Işık hızında hareket eden parçacıklar ile ışık hızının% 99,99999'u ile hareket eden parçacıklar arasındaki farka çok fazla dikkat etmeseniz de, bu iki farklı koşul altında parçacıkların kendileri evrenin tamamen farklı iki deneyimine sahiptir.
100 yılı aşkın bir geçmişe sahip olan özel görelilik teorisi, hala evrenin doğasıyla ilgili en kafa karıştırıcı ve kafa karıştırıcı keşiflerden biridir. Yeryüzünde alışkın olduğumuz (Newtonian) fizik yasaları hemen hemen her durumda geçerlidir, ancak ışık hızına yakınsanız durum böyle değildir. Saat farklı hızlarda çalışır, mesafe değişmiş gibi görünür ve nesnelerin kendileri size göre hızlarına göre renk değiştirir. Bununla birlikte, aynı zamanda, görelilik teorisi, fizik yasalarının, hareketlerine bakılmaksızın tüm gözlemciler için aynı ve sabit olduğunu iddia eder. Işık hızında hareket eden fotonlar için bu ne anlama geliyor?
Görelilik teorisine göre, tüm atalet referans çerçeveleri eşit derecede geçerli ve doğrudur. Fotonlar açısından bakıldığında, tüm evren iki boyutlu, ebedi bir düzleme düzleştirilir. Masama bir elma koyduğumu ve yerine bir muz koyduğumu hayal edin. Foton, zaman duygusu olmayan bir düzleme sıkıştırıldığında masamı nasıl algılar?
Üç durumda ne olduğunu hayal edelim: sabit bir gözlemci, ışık hızına yakın bir gözlemci ve ışık hızında hareket eden bir gözlemci.
1) Statik gözlemci. Orada, çevrenizdeki çevreye göre, hala önünüzdeki evrene bakıyorsunuz. Saatiniz her zaman aynı hızda ilerliyor: saniyede bir saniye. İçinde bulunduğunuz ortama bakarsınız. Gördüğünüz saatler sizinle aynı hızda çalışır: saniyede bir saniye. Nesneler gerçek renkleri, gerçek boyutları gibi görünür ve hiçbir davranış sezgiye aykırı değildir. Geriye mi yoksa ileriye mi bakarsanız bakın, her şey uygun görünüyor.
Bu, bu dünyadaki geleneksel deneyiminizdir. Dünya'da tipik insan hızı, ışık hızıyla karşılaştırıldığında önemsizdir. Ses hızına yakın bir hızla uçan bir uçakta bile, ışık hızının yalnızca% 0.0001'i ile uçabilirsiniz. Çevreleyen ortama göre statik konumdan, herkes için tutarlı olan üç boyutlu evreni görebilirsiniz.
Fotonların iki ayna arasında sıçramasıyla oluşan optik saat, gözlemcinin zamanını belirleyecektir. Özel görelilik teorisi ve tüm deneysel kanıtlar bile kanıtlanamaz, ancak test edilerek doğrulanabilir veya yanlışlanabilir. Bu kurallar yalnızca uzay ve zamanda aynı "olayın" iki gözlemcisi için geçerlidir.
2) Işık hızına yaklaşan gözlemciler. İşlerin tuhaflaşmaya başladığı yer burasıdır. Başlangıçta statik ortamınıza göre ışık hızına yakın bir hızda belirli bir yönde seyahat ettiğinizi hayal edin. Fark edeceğiniz ilk fark zamandır. Sizinle birlikte gelen saat hala alıştığınız hızda gidecektir: saniyede bir saniye. Peki ya çevredeki saat? Hepsi çok yavaş çalışıyor gibi.
Nedeni basit: uzay ve zaman bağımsız varlıklar değil, birbiriyle bağlantılı ayrılmaz varlıklardır. Evrendeki her nesne zaman ve uzayda hareket eder, bu nedenle toplam hareketi belirli bir değere eklenir. Hala uzayda olduğunuzda, hareketiniz% 100 zamandan geçiyor ve zaman, saniyede bir saniye hızla herkese iletiliyor. Ancak egzersizinizi uzayda artırdığınızda, egzersizinizi zamanla azaltacaksınız. Size göre, ortamdaki saat yavaş çalışıyor gibi görünüyor, çünkü tüm ortam hareket ediyor gibi görünüyor.
Yukarıdaki şekil, dünya yüzeyindeki yerçekiminin ivmesine eşit sabit bir hızda hızlanan bir uzay aracının seyahat süresini göstermektedir. Yeterli zamanınız varsa, istediğiniz yere gidebilirsiniz.
Çevrenize göre daha yüksek bir hızda hareket ederken başka birçok etki vardır ve bu etkileri de yaşarsınız. Benzer bir görelilik gerekliliği olan, hareketinizin yönünde uzunluk ve mesafe küçülür. Tüm referans çerçevelerindeki tüm gözlemciler için ışık hızının sabit olması gerektiğinden, eğer zaman daha yavaş geçiyor gibi görünüyorsa (daha kısa zaman), ışık hızını sabit tutmak için mesafenin azaltılması (daha kısa mesafeye ihtiyaç duyulması) gerekir. .
Uzunluk kısalması ve zaman genişlemesine ek olarak başka bir etki daha var: kırmızıya kayma ve mavi kayma. Işığın dalga boyu, hareket ettiğiniz yönde sıkıştırılmış veya daha kısa ve daha mavi görünür. Ters yönde, aldığınız herhangi bir ışık, daha uzun dalga boyları ve daha kırmızı renklerle gerilmiş gibi görünür.
Işık hızına yakın hareket eden bir nesne, gözlemciye göre görünen hareketine bağlı olarak, dışındaki evreni kırmızıya kayma veya maviye kayma olarak görecektir. Işık dalgaları hareket yönünde sıkıştırılır (mavi kayma) ve hareket yönüne göre gerilir (kırmızıya kayma).
Ne kadar hızlı hareket ederseniz, etki o kadar kötü olur. Fiziksel nesnelerin mesafesi gittikçe daha şiddetli bir şekilde küçülür ve yüklü parçacıkların ürettiği elektrik alanı bile hareketleri doğrultusunda küçülür. Zaman daha da genişler; üst atmosferimizde üretilen kararsız parçacıklar (müonlar), yaşam süreleri 2,2 mikrosaniye olsa bile dünya yüzeyine 100 kilometre gidebilirler, bu da ışık hızında hareket etseler bile 1 km'ye ulaşacak. Süper yüksek hızlarda, kırmızıya kayma ve mavi kayma çok ciddidir.Büyük patlamanın bıraktığı enerji bile sadece 3K fotonlara eşdeğerdir.Mavi kayma yeterince yüksek olduğunda, E = mc ^ 2 yoluyla protonlarla da çarpışabilir. Kendiliğinden yeni parçacıklar üretir.
Zaman genişlemesi, uzunluk kısalması ve kırmızıya kayma / maviye kaymanın etkileri ışık hızına ne kadar yakınsa, etki o kadar şiddetli olur. Ancak bunun bir sınırı var.
Zaman uzaması (L) ve uzunluk kısalması (R), ışık hızına ne kadar yakın olursanız, zamanın o kadar yavaş göründüğünü ve mesafenin o kadar küçük olduğunu gösterir. Işık hızına yaklaştığınızda, zaman hiç geçmez ve mesafe küçülür.
3) Işık hızında hareket eden bir gözlemci. Bu gerçek sorun. Işık hızında hareket ederek, kendinize göre daha fazla zaman genişlemesi, uzunluk daralması ve kırmızıya kayma ve maviye kayma yaşayacaksınız. Elmaya doğru hareket ettiğinizde, elma sarı, mavi ve ardından morötesi ışık görünecektir; onları terk ettiğinizde, muz turuncu, kırmızı ve ardından kızılötesi görünecektir.
Ama gerçekten ışık hızına ulaşırsanız, zaman ve uzay artık alışkın olduğunuz gibi davranmayacaktır. Çevrenize göre ışık hızında hareket ederseniz, çevrenizde hiç zaman geçmiyormuş gibi görünecektir. Hareketi ışık hızına benzediğinden, fotonların çevrenize göre hareket etmesine izin veren ek bir hareket olamaz.
Tüm özel görelilik denklemleri ışık hızında çözülür. Zaman, çevrenizdeki çevre ile akıp gitmez. Hareket yönü boyunca tüm mesafeler sıfıra inecektir. Kırmızıya kayma ve mavi kayma sayısı sınırsızdır.
Buna dayanarak bu çok cazip bir sezgi olabilir, çünkü hareketinizin yönü boyunca mesafe sıfıra indirilir, evren iki boyutlu hale gelir. Zaman geçmiyor, bir uçağa benziyor: sonsuz bir daralma. Dolayısıyla foton, masadaki elmaları muzla değiştirdiğinizi gördüğünde, bu iki maddenin varlığını aynı anda hissedeceklerdir.
Ancak gerçekte olanlar daha da şaşırtıcı olabilir.
Saf enerjiden (solda) bir madde / antimadde çifti üretmek tamamen tersine çevrilebilir bir reaksiyondur (sağda) Madde / antimadde saf enerjiye geri döner. Bir foton var olduğunda, onu yaratmak için bir etkileşimi vardır, bir etkileşim onu yok eder ve çoğu zaman (ama her zaman değil) başka bir foton üretir. Bununla birlikte, fotonun kendisi için, onun üretimi ve yıkımı anında gerçekleşir ve başka hiçbir şey deneyimleyemez.
Fotonun hiçbir şey göremediği ve hiçbir şey deneyimlemediği ortaya çıktı. Zaman, fotonlar için gerçekte mevcut değildir: Görelilik teorisinde, sıfır jeodezik dediğimiz şeyi temsil eder. Başlangıçtan hedefe gider: Bir etkileşimin onu yarattığı (veya başlattığı) yerden başka bir etkileşimin onu yok ettiği (veya soğurduğu) yere. Bu, ister emisyon / absorpsiyon, emisyon / yansıma, saçılma etkileşimi veya diğer parçacıklarla herhangi bir etkileşim türü olsun gerçekleşir.
Bir fotonun ne "göreceğini" sorduğunuzda, bir şeyin foton ile etkileşime girebileceğini ve fotonun bu etkileşimi bir şekilde deneyimleyebileceğini varsayarsınız. Ancak, varlığında yaşadığı her şey iki "şey" dir: onu yaratan etkileşim ve onu yok eden etkileşim. Yıkımdan sonra, saçılma veya yansıma gibi fotonların olup olmadığı önemli değildir.
Uzak ışık kaynakları, kozmik mikrodalga arka plandakiler bile, gaz bulutlarının içinden geçmelidir. Kırmızıya kayma ve maviye kayma, soğurma ve emisyon ve diğer özellikleri (ışıkla seyahat süresi gibi) eylemsiz referans çerçevesinden hesaplayabilsek de, bunların hiçbirini fotonların perspektifinden yapamayız.
Bu nedenle, eylemsiz bir referans çerçevesinde göreli hesaplamalara ihtiyacımız var. Işık hızının altında hareket eden ancak fotonun referans çerçevesinden hareket etmeyen bir referans çerçevesi kullanırsak, fotonun kırmızıya veya maviye nasıl değiştiğini hesaplayabiliriz. Eylemsiz referans çerçevesinden, emisyon ve soğurma noktaları arasındaki mesafeyi hesaplayabiliriz, ancak foton referans çerçevesinden değil. Işık yayılma süresini herhangi bir atalet referans çerçevesinden hesaplayabiliriz, ancak foton referans çerçevesinden hesaplayamayız.
Sorun, fotonun referans çerçevesinin eylemsiz bir referans çerçevesi olmamasıdır: eylemsiz bir referans çerçevesinde, sistemin dışındaki herhangi bir harekete bağlı olmayan fiziksel yasalar vardır. Ancak foton için izlediği fiziksel kurallar tamamen onun dışında olanlara bağlıdır. Foton referans çerçevesinden anlamlı bir şey hesaplayamazsınız.
Bir galaksi bizden ne kadar uzaksa, bizden o kadar hızlı uzaklaşır ve ışığı o kadar kırmızıya kayar. Ancak, yalnızca kırmızıya kayma ve maviye kaymayı eylemsiz referans çerçevesinden hesaplayabiliriz. Bunu foton çerçevesinden yapmaya çalışırsanız, kısa sürede hesaplarınızın sadece anlamsız sonuçlar vereceğini anlayacaksınız.
Bunun nedeni, fotonların ve ışık hızında hareket eden tüm parçacıkların statik kütle eksikliğidir. Statik kütle, eylemsiz bir referans çerçevesinde yaşamamız gereken şeydir: Kütle ve nasıl dağıtıldığı bize eylemsizliğin tanımını sağlar! Fotonlar evreni hiç göremezler, çünkü evreni görmek için fotonların diğer parçacıklar, karşıt parçacıklar veya fotonlarla etkileşime girmesi gerekir. Bu etkileşim gerçekleştiğinde, fotonun yolculuğu biter.
Herhangi bir foton, varlığı anlıktır. Bir etkileşim yoluyla üretilir ve başka bir etkileşim yoluyla kaybolur. Bu, uzak bir yıldızdan veya galaksiden yayılabilir ve ister kendi güneşimizden ister on milyarlarca ışık yılı uzaktaki bir nesneden olsun, gözlerinize ulaşabilir. Işık hızında hareket ettiğinizde zaman durur ve hayatınız sadece bir an sürer.
