Question:
Comment un photon vit-il l'espace et le temps?
Mozibur Ullah
2013-02-17 08:07:17 UTC
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Pour un observateur externe, il semble que le temps s'est arrêté pour le photon. Mais cette relation est réflexive, donc pour un observateur voyageant avec le photon, il semble que l'univers s'est arrêté partout.

Est-ce vrai?

L'espace est également déformé parallèlement à la direction du mouvement , mais pas perpendiculaire à celui-ci.

Cela signifie-t-il que pour un observateur voyageant avec un photon voit l'espace-temps comme un plan plat?

Remarque 1 : j'utilise le langage vivement pas littéralement quand je dis qu'un photon fait l'expérience de l'espace et du temps. Ce n'est pas que je sois contre les interprétations idéalistes ou panpyschistes de la matière ou de l'énergie pour en venir à cela.

Note 2 : Depuis qu'il a été souligné qu'un cadre inertiel ne peut être l'image d'un photon et de plus il n'y a pas de comportement limitant ici - quelle que soit l'image dans laquelle vous êtes boosté, la lumière semblera toujours voyager à c . Néanmoins, lorsqu'un observateur externe regarde un train chasser un photon en augmentant progressivement sa vitesse, il constate que la vitesse du train s'approche de la vitesse du photon (mais ne l'égale jamais) et quand il regarde à l'horloge à l'intérieur du train, il ne sera pas trop qu'il ralentit progressivement (mais ne s'arrête jamais réellement). En utilisant cette image, nous pouvons tenter l'expérience de pensée - sinon celle qui peut être réalisée - de ce à quoi ressemble un monde pour un photon.

Êtes-vous sûr que l'expression «un observateur voyageant avec un photon» a un sens?
Un observateur ne peut pas voyager à la vitesse de la lumière. Les photons voyagent toujours à la vitesse de la lumière par rapport à un observateur. (Je ne connais aucune exception)
Dire qu'un tel observateur n'existe pas est une manière plutôt ennuyeuse de ne pas répondre à la question. Un point évident est qu'un observateur temporel ne peut pas atteindre la vitesse de la lumière. Encore un autre point évident, c'est que les «observateurs» spatiaux sont parfaitement bien définis. On pourrait bien faire une hypothèse sur ce que serait un observateur semblable à la lumière, en utilisant le paramètre canonique (arbitraire) de la ligne du monde de la lumière au lieu du temps.
Double possible: http://physics.stackexchange.com/q/27794/2451
Quatre réponses:
David Z
2013-02-17 09:07:57 UTC
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There is no such thing as an observer traveling with a photon. Photons don't have experiences. So there's really no valid answer to this question.

n'est-il pas possible que le photon soit un observateur?
Nan. Un observateur au sens de la relativité restreinte doit se déplacer (au moins instantanément) le long de l'axe du temps d'un référentiel, ce qui n'est pas le cas d'un photon. Il n'y a pas de trames de référence dont les axes temporels correspondent au mouvement à la vitesse de la lumière.
J'utilise un observateur comme synonyme de référentiel inertiel. Êtes-vous en train de dire qu'il n'y en a pas pour un photon? Cela expliquerait plusieurs choses.
Oui, c'est ce que je dis.
Cher Mozibur, il n'y a pas de système inertiel où un photon est au repos simplement parce que vous auriez besoin d'augmenter les cadres inertiels réguliers qui existent par une quantité infinie, pour arriver à $ v = c $. Mais le nombre «infini» n'existe pas ou, du moins, n'est pas un élément de nombres réels. Si vous essayez de calculer avec lui, vous obtenez des valeurs singulières de tout: contraction infinie de Lorentz, dilatation temporelle infinie etc. Dans certains contextes, nous pouvons étendre les nombres réels du nombre infini mais cela n'a aucun sens de le permettre ici car tout devient mal défini.
J'ajouterais également un commentaire "neuroscience". Les collections de photons se propageant dans une certaine direction, parce qu'elles se déplacent exactement de $ v = c $, ne peuvent pas avoir de cerveaux qui enverraient des signaux dans les deux sens. Si un signal électrique était renvoyé, dans le sens contraire du mouvement du photon, il ne pourrait jamais revenir car pour ce faire, ces signaux devraient voyager plus vite que les photons d'origine - plus vite que la lumière - et ce n'est pas autorisé. Ainsi, rien qui bouge à la vitesse de la lumière ne peut penser activement, du moins pas un nombre non nul d'opérations par seconde. ;-)
@LubošMotl: Je pense que la question de savoir si un photon peut avoir un cerveau n'est pas pertinente car c'est une question hypothétique.
+1 pour "les photons n'ont pas d'expériences".
@motl: Étant donné qu'il n'y a pas de cadre inertiel pour un photon, alors la meilleure chose à faire serait (et c'est simplement par curiosité) le cadre inertiel limitant pour un boost infini. Vraisemblablement, la contraction infinie de Lorentz que vous mentionnez est dans la direction du mouvement, il y a aussi une dilatation temporelle infinie, mais les directions de l'espace perpendiculaires au mouvement resteront inchangées? Je ne postule aucune signification physique pour cette limite ...
Cela ressemble un peu à de la triche d'affirmer que demander comment un photon observe le monde est une question invalide. Après tout, un photon interagit avec le monde. Je pense que si notre physique actuelle ne peut donner aucun aperçu de cela, cela signifie simplement que notre compréhension physique est limitée. Mais je me trompe peut-être.
@Skuli: Vous avez raison - que c'est une question valable. Ce que les gens disent ici (lorsqu'il est interprété), c'est que la relativité ne peut offrir aucun aperçu de cette situation. De manière générale, lorsque les infinis abondent (dans une théorie physique), cela signifie généralement que le pouvoir explicatif de la théorie s'effondre. Le fait d'amener deux particules de point de gravitation à proximité immédiate ou le rayonnement classique du corps noir vient à l'esprit. J'ai lu dans les biographies populaires d'Einstein qu'il avait imaginé ce que ce serait de voyager avec une onde lumineuse.
@MoziburUllah Certaines questions n'ont aucun sens, et chaque infini ne signifie pas simplement que la théorie s'effondre.Un exemple simple est que vous pouvez demander comment la fleur sent et ensuite vous demandez comment la couleur bleue sent.La réponse est que l'odeur ne peut être attribuée à une couleur.De même, dans le cas d'un photon et du temps, la question de savoir comment le photon éprouve le temps n'a aucun sens, car vous auriez d'abord besoin de définir ce que le "temps" est censé signifier dans le cas d'un photon, et vous ne pouvez pas le faire sans changement significatif de l'habitueldéfinition du temps (mais alors vous poseriez une question différente).
User0.9999999.....
2013-02-18 19:15:43 UTC
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Il y a un sens plus précis dans lequel la question est mal posée (au moins mathématiquement); à savoir, c'est une affirmation fondamentale de la relativité (spéciale et générale) que le temps `` mesuré '' (compté, vécu, observé ...) par un observateur entre deux événements se produisant sur sa ligne du monde est la longueur de son segment de ligne du monde rejoignant le deux événements (c'est ainsi que nous connectons la notion physique de temps (personnel) avec les mathématiques de la théorie). La manière dont elle détermine le mouvement dépend de cette notion de temps. De manière équivalente, le temps propre est mesuré par le paramètre de longueur d'arc de l'observateur. Maintenant, comme les courbes nulles ont une longueur nulle (donc pas de paramètre de longueur d'arc), le concept de temps propre n'est pas défini pour les observateurs nuls. Par conséquent, le mouvement relatif (propre) n'est pas non plus (c'est-à-dire `du point de vue du photon ').

De plus, la relation que vous décrivez entre les observateurs de type temporel et nuls (instantanés) n'est pas du tout réflexive (alors qu'elle l'est pour les temporelles, via les `boosts de Lorentz '): aucune isométrie de l'espace de Minkowski ne peut prendre un vecteur temporel à nul.

Bien que la question n'ait pas de sens, dans ce sens strict, mathématiquement, peut-être existe-t-il d'autres astuces physiques ou mathématiques pour l'interpréter?

Une belle explication claire. Merci. Oui, ce serait intéressant s'il y avait un moyen de donner un sens physique à cette question.
Il existe généralement divers opérateurs de "trace" pour gérer les comportements sur les sous-espaces de mesure zéro qui ont vraiment besoin d'une mesure non nulle, comme avec les espaces Sobolev.Différents concepts, finalement, mais peut-être que des choses similaires existent sur les variétés lorentziennes?
Je pense à l'émission et à l'absorption d'un photon comme un seul et même événement.Cela semble être la manière la plus claire de penser les choses.
WillO
2019-01-02 22:16:01 UTC
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Je souhaite vraiment que nous puissions une fois pour toutes mettre fin à toutes les absurdités concernant le "comportement limitatif" qui est écrit chaque fois que quelqu'un pose une question comme celle-ci. (Voir par exemple "Note 2" dans la présente question.)

Chaque fois que vous accélérez , votre vitesse augmente selon certains observateurs et diminue selon d'autres. Chaque fois que vous accélérez , vous verrez certaines horloges ralentir et certaines horloges accélérer. Il n'y a absolument aucun sens significatif indépendant du cadre dans lequel l'accélération peut vous rapprocher de la vitesse de la lumière. Il n'y a donc aucun sens dans lequel une accélération pourrait rendre votre expérience "plus proche de celle d'un photon", même si cette phrase avait un sens.

Regarde ça: Alice est assise chez elle à Wichita. Bob voyage vers l'ouest, en direction de la Californie, à (selon Alice) 50 mph. Plus près de la Californie, voyageant également vers l'ouest, se trouve Carla, voyageant à 70 mph selon Alice (mais bien sûr stationnaire selon elle). Regardant dans son rétroviseur, Carla dit "Il y a Bob, voyageant vers l'est à 20 mph".

Maintenant, Bob frappe l'accélérateur. Alice dit: La vitesse de Bob vient de passer de 50 à 60. Il ressemble un peu plus à un photon! Carla dit: La vitesse de Bob vient de passer de 20 à 10. Il est un peu moins comme un photon! Bob, quant à lui, voit l'horloge d'Alice ralentir et la vitesse de Carla s'accélérer. Quelle limite approche-t-il?

Analogie drôle, mais elle ne vaut que pour une accélération ponctuelle, plutôt petite.Si Bob faisait dix de ces imbéciles, il serait "plus comme un photon" pour Alice et Carla.Et plus il accélère, plus les observateurs considéreront cela comme une augmentation de vitesse.
@Ruslan: Oui, plus il accélère, plus les observateurs considéreront cela comme une augmentation de la vitesse.Aussi, plus il accélère, plus les observateurs considéreront cela comme une ** diminution ** de la vitesse.Il n'y a aucun sens significatif dans lequel l'une de ces «mœurs» est plus grande ou plus petite que l'autre.
Parmi les observateurs terrestres, tous finiront par le considérer comme allant presque à la vitesse de la lumière.
@Ruslan: Mais "les observateurs terrestres" est un sous-ensemble purement arbitraire de "tous les observateurs".Dans tous les cas, le principal point est le suivant: Bob peut approcher la vitesse de la lumière du point de vue d'Alice et donc apparaître, dans un certain sens, "plus comme un photon" à Alice.En même temps, il apparaîtra "moins comme un photon" à quelqu'un d'autre, et ** surtout **, il ne ressemblera pas ** du tout ** plus ou moins à un photon pour ** lui-même **, contrairement à ce qui est souvent impliqué dans ces questions, dont celle-ci.
Dvij D.C.
2018-09-16 10:27:13 UTC
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TL; DR

Il n'y a pas d'observateur légitime venant avec un photon en relativité restreinte (et donc, en physique). Ainsi, toute question sur ce qu'un tel observateur ressentirait, verrait ou observerait est vraiment des questions dénuées de sens.

Pour un observateur externe, il semble que le temps s'est arrêté pour un photon.

Non - pas vraiment. Je crois que cette déclaration est censée impliquer qu'une horloge se déplaçant le long d'un photon cesse de tourner (comme observé par un observateur inertiel par rapport auquel l'horloge se déplace à la vitesse de la lumière - et donc, par rapport à tous les observateurs inertiels comme tout ce qui bouge à la vitesse de la lumière se déplace à la vitesse de la lumière par rapport à tous les observateurs inertiels). Mais c'est une déclaration dénuée de sens car il ne peut y avoir d'horloge qui se déplace à côté d'un photon. Et je dirais que c'est ici que l'histoire peut se terminer pour de bon.

Mais cette relation est réflexive, donc pour un observateur voyageant avec le photon, il semble que l'univers s'est arrêté partout.

Ainsi, comme je l'ai expliqué, l'affirmation selon laquelle pour un observateur externe le temps semble s'être arrêté pour un photon n'est pas juste - ce n'est même pas une affirmation correctement posée qui peut être testée comme étant vraie ou fausse. La prémisse elle-même ne peut pas être réalisée.

Mais en plus de cela, l'argument sur la réflexivité est également imparfait ici. Simplement parce qu'il n'y a pas de notion légitime d'observateur venant avec un photon pour donner lieu à une possibilité de réflexivité. (Aussi, je pense que le mot correct à utiliser ici serait "symétrie" plutôt que "réflexivité" car la réflexivité se réfère à la relation d'un élément avec lui-même mais l'OP semble évidemment se référer à la nature symétrique supposée de la relation entre deux éléments distincts.)

L'espace est également déformé parallèlement à la direction du mouvement, mais pas perpendiculairement à celle-ci.Cela signifie-t-il que pour un observateur voyageant avec un photon voit l'espace-temps comme un plan plat?

Encore une fois, comme il n'y a pas d'observateur légitime venant avec un photon, la question est sans objet - plutôt, la question est juste une structure grammaticalement correcte sans signification réelle en physique.

Donc, l'essentiel est simplement ce que j'ai écrit dans le TL; DR qu'il n'y a pas d'observateur légitime venant avec un photon en relativité restreinte (et donc, en physique).Ainsi, toute question sur ce qu'un tel observateur ressentirait, verrait ou observerait est vraiment des questions dénuées de sens.

Apparemment, Einstein a demandé ce qui se passerait si nous allions avec une onde électromagnétique.Il a ensuite affirmé que nous verrions une onde stationnaire et a remarqué qu'une telle onde stationnaire n'est pas une solution des équations de Maxwell.Néanmoins, la question n'est pas complètement dénuée de sens.Comme cela l'a aidé à comprendre la structure de l'électromagnétisme.
@MoziburUllah Oui, Einstein a en effet posé la question de savoir ce qui se passerait s'il voyageait aux côtés d'un EMW.Mais cette information n'est pas vraiment physique.C'est juste de l'histoire.La physique est ce qui est venu après, à savoir la relativité restreinte.Et cela a répondu pleinement à la question d'Einstein en clarifiant que la question est vide de sens, car aucun observateur ne peut jamais voyager à côté d'un EMW.La question était-elle utile?Peut-être que oui, à Einstein.Je ne dis pas qu'il y a quelque chose de mal à poser cette question - je dis simplement que la question n'a pas de sens et que ce n'est que de la physique!
Je ne peux pas dire que je suis entièrement d'accord avec vous ici - c'est en fait de la physique, car cela a aidé Einstein à comprendre le rôle de la symétrie et cela l'a * aidé * à formuler la SR.Il est faux de dire que cette question d'Einstein était `` dénuée de sens '' car ce n'était pas SR qui a répondu à cette question - parce que cela suggère qu'Einstien avait simplement mal compris la relativité, alors qu'en fait c'est Einstein qui a développé et formulé SR.
Dans le contexte de la RS, la question peut être dénuée de sens, mais si nous sommes toujours limités par ce que disent nos théories actuelles, nous ne pourrons jamais développer de nouvelle physique.Par exemple, regardez les tentatives de gravité modifiée pour expliquer certaines anomalies dans les courbes de rotation des galaxies.
Quoi qu'il en soit, merci d'avoir pris la peine de répondre à ma question.
@MoziburUllah Je pense avoir déjà dit ce que j'avais à dire sur la question du déplacement aux côtés d'un EMW mais j'ajouterais quand même (en réponse à votre commentaire) qu'il ne s'agit pas du tout de nouvelle physique.Il n'y a aucune raison théorique de croire qu'il existe quelque chose au-delà de la RS qui prouverait miraculeusement qu'il pourrait y avoir des observateurs légitimes se déplaçant aux côtés d'un EMW.
En ce qui concerne votre argument sur l'incompréhension de la relativité d'Einstein, vous mélangez vraiment les choses.Einstein ne connaissait tout simplement pas la relativité quand il a posé la question et quand il a formulé la relativité, il avait complètement compris qu'il ne pouvait y avoir aucun observateur se déplaçant aux côtés d'un EMW.Quand Einstein a posé la question, ce n'était pas une chose stupide à poser - et ce n'est pas non plus pour un débutant en SR.Mais à la lumière de RS, c'est-à-dire à la lumière de la physique, la question n'a pas de sens et c'est juste un fait comme je l'ai dit plus tôt.
Oui je sais.Je ne prétendais pas avoir trouvé une nouvelle physique - c'est plutôt un défi de taille.Néanmoins, je trouve que c'est une question intrigante.Ce que je questionnais dans les commentaires ici - c'était le rôle des expériences de pensée en physique.Je ne pense pas que leur rôle soit uniquement de rester dans les limites de ce qui est connu - sinon, comme on m'a dit - nous ne pourrions jamais trouver de nouvelle physique.
J'ai une maîtrise en physique de l'Imperial College de Londres - une école raisonnablement réputée.Donc je ne suis pas un débutant.Si vous regardez la note supplémentaire ci-dessus pour clarifier le contexte de la question, vous pouvez voir pourquoi je la posais.Je ne proposais pas que l'on puisse réellement entrer dans le cadre d'un photon - je ne pense pas avoir écrit cela - mais je peux voir pourquoi vous pourriez vous précipiter et penser cela.J'ai simplement demandé le comportement * limitant * du point de vue d'un observateur externe.Ce n'est pas une question anormale à poser.
Bien que j'admette que j'aurais pu être plus clair dans mon exposé de la question étant donné le potentiel de confusion.
Au fait, je n'ai pas prétendu qu'Einstein avait mal compris la relativité!Je suppose que vous faites référence à mon premier commentaire.Pour clarifier ce commentaire: de la physique newtonienne, il a déduit que nous pouvons nous propulser dans le cadre d'un photon, il a ensuite souligné qu'il n'y avait pas de telle solution à partir des équations de Maxwell, puis a décidé que les équations de Maxwell étaient plus correctes - je ne sais pas pourquoia décidé que - il a modifié les notions d'espace et de temps en mécanique - et a obtenu SR.
Je pense que cette dernière remarque sur les raisons pour lesquelles il a décidé que les équations de Maxwell étaient plus correctes constituerait une excellente question distincte à part entière!Je modifierais ma réponse dans quelques heures pour accueillir une réponse unifiée à tous vos commentaires.
Cela aurait pu être * a postereri *, après avoir réalisé qu'il pouvait déduire les transformations de base de Lorentz à partir de cette hypothèse qui n'avait alors été proposée que sur une base ad hoc par Lorentz - ce serait ma supposition.


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