Question:
Pourquoi et comment la vitesse de la lumière dans le vide est-elle constante, c'est-à-dire indépendante du référentiel?
SMUsamaShah
2010-12-24 19:25:22 UTC
view on stackexchange narkive permalink

On m'a dit que la règle de vitesse relative galiléenne ne s'applique pas à la vitesse de la lumière. Quelle que soit la vitesse à laquelle deux objets se déplacent, la vitesse de la lumière restera la même pour les deux.

Comment et pourquoi est-ce possible?

Aussi, pourquoi rien ne peut-il voyager plus vite que la lumière?

La vitesse de la lumière constante est un point de départ pour la théorisation, plutôt qu'une conclusion.Je veux dire par là que nous voulons dire que nous avons essayé de le mesurer, et cela semble constant.La théorie de la relativité dit "si cela est vrai, quelles en sont les conséquences"?Eh bien, l'une des conséquences est que rien ne peut voyager plus vite.
@Carlos D'un point de vue expérimental, les expériences interférométriques n'essaient pas vraiment de "mesurer la vitesse de la lumière";au contraire, ils sont explicitement sensibles aux * variations de la vitesse de la lumière * sans être sensibles à la vitesse.Et s'ils sont bien conçus et construits, ils peuvent être extrêmement précis en excluant de telles variations.
Douze réponses:
#1
+54
Mark Eichenlaub
2010-12-27 13:42:15 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Le point de vue de la plupart des physiciens est de se demander "Comment se fait-il que la vitesse de la lumière soit constante?" est similaire à demander "Comment se fait-il que les choses ne vont pas toujours dans le sens de la force exercée sur elles?" ou "Comment se fait-il que les prédictions de la mécanique quantique impliquent des probabilités?"

La réponse habituelle est que ces choses sont . Il n'y a pas d'explication plus profonde et plus fondamentale. Il y a ici une certaine similitude avec le point de vue que vous avez peut-être appris en étudiant la géométrie euclidienne; nous devons commencer par quelques axiomes que nous supposons être vrais et que nous ne pouvons pas justifier. Philosophiquement, ces idées ne sont pas exactement les mêmes (les axiomes mathématiques ne sont pas soumis à des tests expérimentaux), mais la vitesse constante de la lumière est souvent décrite comme un «postulat» de relativité. Une fois que nous supposons que c'est vrai, nous pouvons élaborer ses conséquences logiques.

Cela ne veut pas dire que, en physique, les postulats restent des postulats. Par exemple, de nombreuses personnes sont particulièrement préoccupées par la probabilité en mécanique quantique, et essaient de la comprendre en se basant sur des idées plus fondamentales (voir décohérence comme exemple). Comme autre exemple, les lois du mouvement de Newton étaient à l'origine considérées comme des postulats non démontrables, mais sont maintenant expliquées via la mécanique quantique (voir Théorème d'Ehrenfest).

À ce moment, la constance du la vitesse de la lumière, ou plus généralement le principe de la symétrie de Lorentz, ne se justifie par rien de plus fondamental. En fait, l'hypothèse selon laquelle c'est vrai a été une lumière directrice pour les physiciens théoriciens; La théorie quantique des champs a été inventée en réfléchissant à la façon dont la mécanique quantique pourrait être amenée à respecter les idées de relativité.

Bien que nous n'ayons pas de justification théorique de la constance de la vitesse de la lumière, nous avons des tests expérimentaux très précis de l'idée. La plus célèbre est l ' expérience Michelson-Morley, qui a mesuré la vitesse relative de la lumière dans différentes directions pour voir si elle était affectée par le mouvement de la Terre. Cette expérience a rejeté l'hypothèse selon laquelle le mouvement de la Terre affecte la vitesse de la lumière. Selon l'article de Wikipédia que j'ai lié, une version moderne de cette expérience de Hils et Hall a conclu que la différence de vitesse de la lumière dans des directions parallèles et perpendiculaires au mouvement de la Terre est inférieure à une partie de $ 5 * 10 ^ {12} $. En plus des tests directs de la vitesse de la lumière, il y a eu de nombreux autres tests expérimentaux de relativité restreinte. (Je n'ai pas lu cette dernière page attentivement, mais, en la feuilletant, elle a l'air bien.)

Il y a quelques mises en garde qui méritent d'être mentionnées. En relativité générale, la vitesse de la lumière n'est constante que localement. Cela signifie que la distance entre deux objets peut augmenter plus rapidement que la vitesse de la lumière, mais il est toujours impossible que la lumière vous dépasse à une vitesse plus rapide que la vitesse normale. De plus, en théorie quantique, la vitesse de la lumière est une propriété statistique. Un photon peut voyager légèrement plus lentement ou plus vite que la lumière, et ne se déplace qu'à la vitesse de la lumière en moyenne. Cependant, les écarts par rapport à la vitesse de la lumière seraient probablement trop faibles pour être observés directement.

J'ai exactement la même pensée, si la distance entre deux objets peut évidemment augmenter avec plus de vitesse, que va-t-il se passer? La vitesse relative d'un objet sera plus que la vitesse de la lumière?
Oui, on pourrait dire que la vitesse relative dépassait $ c $ si la distance augmentait plus vite que $ c $. La vitesse de la lumière étant un maximum n'est qu'une contrainte locale sur les vitesses.
J'ai toujours supposé que c'était parce que (en un mot) la lumière voyageait si vite, que nous n'avons rien à quoi la comparer, donc rien ne peut être plus rapide. N'est-ce pas plus simple?
@MarkEichenlaub: l'amplitude de tout processus hors shell n'est-elle pas nulle? Je suis à peu près sûr que la matrice S est prédite de telle manière que tous les degrés de liberté superluminaux ont une amplitude nulle.
@JerrySchirmer Pour être honnête, je décrivais une physique qui me dépassait. Je me suis simplement rappelé avoir lu ceci dans le QED de Feynman. En regardant vers le haut, à la page 89, il est dit: "La contribution majeure se produit à la vitesse conventionnelle de la lumière ... mais il y a aussi une amplitude pour que la lumière aille plus vite (ou plus lentement) que la vitesse conventionnelle de la lumière. Vous avez découvert que dans la dernière conférence que la lumière ne va pas seulement en ligne droite; maintenant, vous découvrez qu'elle ne va pas seulement à la vitesse de la lumière! »Peut-être que je ne comprends pas exactement ce que cela signifie, cependant. Je ne connais pas la théorie quantique des champs.
** Un photon peut voyager légèrement plus lentement ou plus vite que la lumière, et ne se déplace qu'à la vitesse de la lumière en moyenne. ** La ligne ci-dessus de Mark, quand les photons sont le constituant de la lumière et rien d'autre (lumière == photons, sans doute) pourquoi dit-il la déclaration ci-dessus [En fait, la question peut être interprétée comme pourquoi les photons voyagent à une vitesse constante 3,00 000 km / s dans le vide]
"Comment se fait-il que les choses ne vont pas toujours dans le sens de la force sur eux?"Parce que lorsque vous poussez un objet, il se déplace dans cette direction."Comment se fait-il que la vitesse de la lumière soit constante?"Cela a toujours été comme ça: '(
#2
+15
Sklivvz
2010-12-24 19:34:40 UTC
view on stackexchange narkive permalink

En fait, la règle de vitesse relative ne s'applique jamais.

La règle d'addition de vitesse relativement correcte est la suivante:

$$ s = \ frac {v + u} {1+ \ frac {vu} {c ^ 2}} $$

Quand $ \ frac {vu} {c ^ 2} $ est proche de zéro ( autrement dit, lorsque les vitesses concernées sont bien inférieures à la vitesse de la lumière), alors la formule correcte est approchée de la version galiléenne $ s = u + v $.

Rien ne peut être plus rapide que la lumière, fondamentalement , car en accélérant, vous gagnez non seulement en vitesse, mais aussi en masse. A mesure que vous approchez de la vitesse de la lumière, l'énergie qui vous est donnée par la force provoquant l'accélération contribue fondamentalement de plus en plus à l'augmentation de votre masse et de moins en moins à l'augmentation de votre vitesse. Il le fait précisément pour que vous n'atteigniez jamais la vitesse de la lumière. Au lieu de cela, les particules sans masse comme les photons voyagent toujours à la vitesse de la lumière.

oui, mais pour dériver cette équation, vous devez d'abord accepter une hypothèse et accepter que la vitesse de la lumière est constante.
Cette réponse serait meilleure si elle n'utilisait pas le concept obsolète de masse relativiste.
En fait, la règle de la vitesse relative ne s'applique jamais ** si la vitesse de la lumière est constante dans tous les cadres de référence **.
@SaravanabalagiRamachandran oui, dans un autre univers cela pourrait ne pas s'appliquer
#3
+8
Gordon
2011-02-07 01:08:42 UTC
view on stackexchange narkive permalink

John Moffat et Moffat et Albrecht et Magueijo ont des théories de vitesse variable de la lumière où la vitesse variait dans l'univers primitif et n'est pas une constante. Majueijo a un livre populaire Faster Than The Speed ​​of Light décrivant ses théories. OMI le livre est assez scandaleux et insulte diverses personnes. Je ne mentionne cette réponse que par souci d'exhaustivité car je pense que la vitesse de la lumière dans le vide est constante.

L'espace peut s'étendre plus vite que la vitesse de la lumière, mais aucune information ne peut être transmise. Voir le Alcubierre Warp Drive pour vous amuser.

#4
+8
Tau23
2014-01-28 03:51:51 UTC
view on stackexchange narkive permalink

La vitesse de la lumière est la limite de vitesse dans l'univers car, dans un sens informel, elle est infinie. Si un vaisseau spatial était construit pour se déplacer à une accélération constante de 1 g, il atteindrait très rapidement 99,9% de la vitesse de la lumière, ce qui permettrait de parcourir tout l'univers observable au cours d'une vie en raison de l'effet de la dilatation du temps. Il n'y a pas de trame de repos pour le photon en relativité, mais l'approche de sa vitesse vous fait vivre une expérience plus subjective et proche de la vitesse infinie. Donc, du point de vue hypothétique du photon, il parcourt une distance arbitraire en temps nul. L'émission est le même point que l'absorption pour un photon. Répondant maintenant pourquoi c'est constant pour tous les observateurs et non infini, je dois dire que cela se résume aux lois de causalité et de localité.

Toujours en physique de la relativité, la rapidité (φ) est utilisée comme une alternative à la vitesse comme mesure du mouvement. L'équation est φ = artanh (v / c). En substituant v = c, vous obtenez artanh (1) = infini. La rapidité de la lumière est donc infinie.

#5
+7
sigoldberg1
2010-12-27 12:49:04 UTC
view on stackexchange narkive permalink

En ce qui concerne la partie 2 de votre question "Aussi pourquoi rien ne peut être plus rapide que la lumière?", la réponse est que ce n'est pas que de la lumière. Le fait est que c est la vitesse maximale de toute interaction causale transmettant des informations dans l'univers , médiée par tout ce qui avance dans le temps (voir note en bas de page). C'est juste que les photons, ayant une masse au repos de 0, voyageant dans le vide s'approchent de cette limite fondamentale, c.

Note de bas de page: Sauf peut-être des «tachyons» - jamais vus et voyageant en arrière dans le temps parce qu'ils vont plus vite que c. (Notez que Norbert Wiener a déjà souligné que pour une influence causale voyageant en arrière dans le temps, nous la vivrions comme "aléatoire", car ce serait apparemment un événement sans cause antérieure pour nous).

#6
+6
Hypnosifl
2014-10-21 03:18:29 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Le fait que différents observateurs en mouvement relatif puissent mesurer le même rayon lumineux pour se déplacer à une vitesse de c est lié au fait que chaque observateur définit la "vitesse" en termes de distance / temps sur les règles et les horloges au repos par rapport à eux-mêmes . Il est crucial de comprendre que différents observateurs utilisent des règles et des horloges différentes pour mesurer la vitesse, car en relativité chaque observateur inertiel verra les règles des autres observateurs inertiels se rétrécir ( contraction de longueur), et les horloges des autres les observateurs inertiels doivent être lents ( dilatation du temps) et ne pas être synchronisés les uns avec les autres ( relativité de la simultanéité). Chaque observateur peut être imaginé pour mesurer la vitesse à l'aide d'une paire d'horloges à différentes positions le long d'une règle (les horloges synchronisées dans leur propre trame en utilisant la convention de synchronisation d'Einstein), en mesurant le temps T1 sur la première horloge au fur et à mesure que l'onde lumineuse la passe, et le temps T2 sur la deuxième horloge lorsque la lumière la passe, puis si leur règle montre que l'horloge est distante de D, cet observateur conclut que la vitesse du rayon lumineux était D / (T2 - T1).

Mais maintenant, considérez à quoi ressembleront les règles et les horloges de cet observateur dans mon cadre, si je vois l'observateur se déplacer à une certaine vitesse v le long de mon axe x (avec la règle parallèle à l'axe des x). De mon point de vue, la règle que l'observateur en mouvement a utilisé pour mesurer la distance est réduite d'un facteur de $ \ sqrt {1 - v ^ 2 / c ^ 2} $ en raison de la contraction de la longueur, le temps entre les graduations sur les horloges du l'observateur en mouvement se développe de $ 1 / \ sqrt {1 - v ^ 2 / c ^ 2} $ en raison de la dilatation du temps (ou de manière équivalente, en $ T $ secondes de temps dans mon cadre, je ne vois que l'horloge de l'observateur en mouvement avancer de $ T \ sqrt {1 - v ^ 2 / c ^ 2} $), et la lecture de l'heure de l'horloge arrière est en avance sur la lecture de l'horloge avant de $ vL / c ^ 2 $ en raison de la relativité de la simultanéité, où $ L $ est la distance entre les horloges dans le propre cadre de l'observateur, telle que mesurée par sa propre règle.

Regardons un exemple numérique. Disons que la règle mesure 50 secondes-lumière dans son propre cadre de repos, se déplaçant à 0,6 ° C dans mon cadre. Dans ce cas, le facteur gamma relativiste $ 1 / \ sqrt {1 - v ^ 2 / c ^ 2} $ (qui détermine la quantité de contraction de longueur et de dilatation du temps) est de 1,25, donc dans mon cadre, la longueur de la règle est de 50 / 1,25 = 40 secondes-lumière. À l'avant et à l'arrière de la règle se trouvent des horloges qui sont synchronisées dans le cadre de repos de la règle; en raison de la relativité de la simultanéité, cela signifie que dans mon cadre, ils sont désynchronisés, l'heure de l'horloge avant étant en retard sur l'heure de l'horloge arrière de $ vL / c ^ 2 $ = (0.6c) (50 secondes-lumière ) / $ c ^ 2 $ = 30 secondes.

Maintenant, quand l'extrémité arrière de la règle en mouvement est alignée avec la marque 0-seconde-lumière de ma propre règle (avec ma propre règle au repos par rapport à moi), j'ai mis en place un flash lumineux à cette position. Disons qu'à ce moment, l'horloge à l'arrière de la règle mobile lit une heure de 0 seconde, et puisque l'horloge à l'avant est toujours derrière elle de 30 secondes dans mon cadre, alors dans mon cadre, l'horloge à l'avant doit lire -30 secondes à ce moment. 100 secondes plus tard dans mon cadre, l'arrière-plan se sera déplacé (100 secondes) * (0,6c) = 60 secondes-lumière le long de ma règle, et comme la règle mesure 40 secondes-lumière dans mon cadre, cela signifie l'extrémité avant sera aligné avec la marque des 100 secondes-lumière sur ma règle. Puisque 100 secondes se sont écoulées, si le faisceau lumineux se déplace en c dans mon cadre, il doit avoir bougé de 100 secondes-lumière pendant ce laps de temps, donc il sera également à la marque des 100 secondes-lumière sur ma règle, juste après avoir rattrapé avec l'extrémité avant de la règle mobile.

Depuis que 100 secondes se sont écoulées dans mon cadre, cela signifie que 100 / 1.25 = 80 secondes se sont écoulées sur les horloges à l'avant et à l'arrière de la règle en mouvement. Puisque l'horloge à l'arrière indiquait 0 seconde lorsque le flash a été déclenché, elle lit maintenant 80 secondes; et comme l'horloge à l'avant lit -30 secondes, elle lit maintenant 50 secondes. Et rappelez-vous, la règle durait 50 secondes-lumière dans son propre cadre de repos! Donc dans son cadre, où l'horloge à l'avant est synchronisée avec l'horloge à l'arrière, le flash lumineux s'est déclenché à l'arrière lorsque l'horloge y indiquait 0 seconde, et le faisceau lumineux passait l'horloge à l'avant quand son heure lire 50 secondes, donc comme la règle dure 50 secondes-lumière, le faisceau doit avoir bougé à 50 secondes-lumière / 50 secondes = c aussi! Ainsi, vous pouvez voir que tout fonctionne - si je mesure les distances et les temps avec des règles et des horloges au repos dans mon cadre, je conclus que le faisceau lumineux s'est déplacé à 1 c, et si un observateur en mouvement mesure la distance et les temps avec des règles et des horloges à reste dans son cadre, il conclut également le même faisceau lumineux déplacé à 1 c.

Si vous voulez aussi considérer ce qui se passe si, après avoir atteint l'extrémité avant de la règle mobile à 100 secondes dans mon cadre, la lumière rebondit ensuite vers l'arrière dans la direction opposée vers l'extrémité arrière, puis à 125 secondes dans mon cadre la lumière sera à une position de 75 secondes-lumière sur ma règle, et l'extrémité arrière de la règle en mouvement sera à cette position également. Puisque 125 secondes se sont écoulées dans mon cadre, 125 / 1,25 = 100 secondes se seront écoulées sur l'horloge à l'arrière de la règle mobile. Rappelez-vous maintenant que sur l'horloge à l'avant, lisez 50 secondes lorsque la lumière l'a atteint, et que la règle mesure 50 secondes-lumière dans son propre cadre de repos, de sorte qu'un observateur sur la règle mobile aura mesuré la lumière pour prendre 50 secondes supplémentaires. secondes pour parcourir les 50 secondes-lumière de l'extrémité avant à l'extrémité arrière.

#7
+4
Quantumplate
2014-11-17 15:12:25 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Pensez aux ondes sonores. Si vous avez une voiture avec une sirène, la vitesse de la voiture affecte-t-elle la vitesse du son? Non, au lieu de cela, le son se déplace toujours à la même vitesse (ignorons pour l'instant le fait que la vitesse du son peut changer, par exemple en fonction de la densité du support qu'il traverse).

La variation de la vitesse de la voiture va provoquer un effet Doppler où les ondes sonores se compressent (ou se dilatent selon la direction) et la fréquence de l'onde est affectée (par exemple, la hauteur tonale est plus élevée lorsque la source du son s'approche de vous ou plus basse lorsqu'elle se déplace

Essentiellement, vous créez l'onde sonore lorsque vous vous déplacez dans le milieu dans lequel elle se déplace. Cela signifie que lorsque vous la créez, les ondes se regroupent devant et se dilatent derrière. Il est même possible de voyager plus vite que la vitesse du son où vous êtes en train de courir la vague que vous venez de créer (et tout est derrière vous, rien devant).

La lumière se comporte de la même manière (enfin en quelque sorte) . Nous savons par expérience qu'il est toujours mesuré à la même vitesse (dans le vide) quelle que soit la vitesse à laquelle il a été émis (techniquement la vitesse du matériau à partir duquel il a été émis). Cela ne devrait pas vraiment être si surprenant car c'est ainsi que les ondes sonores se comportent aussi.

La vitesse du matériau émettant la lumière affectera la fréquence de la lumière (par exemple, si elle s'éloigne de vous, les ondes vont étalée et elle sera décalée vers le rouge, ou si elle se déplace vers vous, les vagues se regrouperont et seront décalées en bleu).

En résumé:

  • Lumière n'a qu'une seule vitesse (la vitesse à laquelle nous la mesurons ou C). Jusqu'ici sympa et simple. Ce chiffre n'est pas vraiment spécial ou surprenant (il doit y avoir quelque chose).

  • Sa vitesse est indépendante du matériau ou du cadre de référence à partir duquel elle est émise (comme la la vitesse du son est indépendante de la vitesse de la sirène / voiture).

  • En savoir plus sur la vitesse du son. Il est indépendant de la vitesse de sa source car il y a un découplage de la source de l'onde (compression / expansion des molécules d'air) et sa propagation à travers le milieu (molécules d'air rebondissant les unes contre les autres).

  • Les objets (par exemple les avions) peuvent voyager plus vite que la vitesse du son. Ce n'est pas le cas de la lumière. Rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière.

Pourquoi la matière se limite-t-elle à des déplacements plus lents que la lumière? En termes simples, il faut de plus en plus d'énergie pour accélérer la masse à mesure que vous vous rapprochez de la vitesse de la lumière. Pour atteindre la vitesse de la lumière, il faut une énergie infinie et vous ne pouvez pas dépasser l'infini (pour aller plus vite).

Donc, l'une des raisons pour lesquelles la relativité est si déroutante est que la vitesse de la lumière est constante indépendamment de votre cadre de référence. Imaginez beaucoup d'ambulances volantes et vous ne pourriez mesurer une autre ambulance que par son son. Une ambulance volant vers vous peut avoir une onde sonore de fréquence plus élevée, mais vous ne pouvez pas dire si cela est dû à votre mouvement vers l'onde sonore ou au mouvement de l'ambulance qui l'émet (pas de cadre de référence absolu pour vous aider).

Je ne sais pas dans quelle mesure l'analogie des ondes sonores résiste aux ondes lumineuses, mais j'espère que cela vous donne une idée plus intuitive de la façon dont cela peut se produire.

la vitesse du front des ondes sonores n'est pas équivalente à la vitesse de la lumière car elle dépend de la vitesse du cadre de référence utilisé pour la mesurer.
Cette analogie sonore m'a aidé à visualiser la vitesse de la lumière maintenant, merci pour cela.Cela signifie que pour une distance constante, la vitesse de la lumière est également constante et la vitesse de l'émetteur n'a tout simplement pas d'importance. Si c'est aussi simple, pourquoi n'est-il pas expliqué comme ça (comme vous venez de le faire)?
Mais comme l'a dit @Zarko, la vitesse de la lumière sera mesurée avec la même constante même en mouvement relatif.Maintenant, cela ne correspond pas à l'analogie des ondes sonores.par exemple.Si deux objets s'éloignent l'un de l'autre et que l'un mesure la vitesse du son du second objet, elle sera inférieure à la vitesse réelle.
#8
+3
Žarko Tomičić
2014-11-17 16:26:21 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Il y a une certaine confusion sur deux points ... premièrement, l'indépendance de la vitesse de la lumière sur la vitesse de sa source n'a rien de surprenant. C'est la même chose que l'indépendance de la vitesse des vagues d'eau sur la vitesse d'un bateau. Rien de drôle là-bas. MAIS, indépendance de la vitesse de la lumière sur le référentiel de deux observateurs en mouvement relatif par rapport à la même source, voilà le truc drôle. Je suppose que vous ne vous souciez pas des réponses comme à cause des transformations de Lorentz ou de choses similaires. Peut-être que vous vous demandez pourquoi quelqu'un (Einstein par exemple) en viendrait à cette idée. La chose est, c'est à cause de l'expérience de Michaelson-Morley et à cause des équations de Maxwell. L'expérience MM nous a donné la preuve que c'était vrai et les équations de Maxwell nous ont motivés. Dans ces équations, la vitesse de la lumière apparaît comme la vitesse des ondes électromagnétiques. Donc, cela devient une sorte de constante naturelle. Il joue un rôle spécial comme vous pouvez le voir, comme la constante de Planck ou la constante gravitationnelle. Les lois naturelles doivent être les mêmes dans tous les cadres de référence, de sorte que la vitesse de la lumière doit être la même. Il y a aussi le fait que si vous pouviez voyager à la vitesse de la lumière, vous observeriez une onde lumineuse stationnaire, et ce n'est tout simplement PAS possible. Il n'y a aucune preuve réelle de tout cela, juste un fort sentiment d'intestin.

L'expérience MM ne prouve-t-elle pas seulement le premier point, que la vitesse de la lumière est indépendante de la vitesse de sa source?
En fait, il a été conçu pour détecter l'éther, un type spécial de médium que certains ont proposé d'exister.
Afin d'expliquer les résultats de MM exp, vous devez supposer une contraction de longueur, etc ... toutes les choses liées à la transformée de Lorentz et à la constance de la vitesse de la lumière ...
#9
+2
jak
2016-12-10 14:26:36 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Malheureusement, les questions " Pourquoi " arrivent presque toujours ici chez StackExchange la réponse " Parce que c'est comme ça que la nature est! ". Sans surprise, la première réponse vous le dit exactement.

De nombreux physiciens ici sur le site pensent que ce n'est pas le but de la physique de répondre aux questions «Pourquoi», mais plutôt d'adapter les modèles aux observations. / coup de gueule

Cependant, il y a sont des idées pour répondre à plusieurs des questions les plus importantes sur le "Pourquoi". Ces idées ne sont actuellement pas vérifiées expérimentalement et ne sont donc pas des réponses canoniques. Tant qu'il n'y a pas de preuve expérimentale, ces idées ne sont que cela: des idées. Néanmoins, j'aime toujours lire sur de telles idées et peut-être que vous aussi.

So voici une idée qui explique pourquoi rien ne peut voyager plus vite qu'avec la vitesse de la lumière:

L'espace-temps n'est pas continu, mais discret et il y a une longueur minimale $ l_m $ et un intervalle de temps minimal $ t_m $.

Si tel est le cas, rien ne peut se déplacer avec une vitesse supérieure à $ \ frac {l_m} {t_m} $. Afin de se déplacer plus vite que $ \ frac {l_m} {t_m} $ et l'objet aurait besoin de parcourir la distance minimale $ l_m $ dans un intervalle de temps plus court que l'intervalle de temps minimal $ t_m $.

De plus, cette vitesse maximale a la même valeur dans tous les cadres de référence, car la longueur minimale et l'intervalle de temps minimal sont les mêmes dans tous les cadres de référence. Si tel n’était pas le cas, il y aurait un cadre de référence préféré qui serait en désaccord avec le principe de relativité.

Alors, expliquons-nous réellement quelque chose avec cette idée? Maintenant, bien sûr, nous devons répondre à la question: pourquoi l'espace-temps devrait-il être discret et pourquoi devrait-il y avoir une longueur et un intervalle de temps minimaux?

Tout d'abord, cette idée n'est pas aussi étrange que cela puisse paraître si vous l'entendez la première fois. Un spectre discret avec une quantité minimale est exactement ce avec quoi nous sommes habitués à travailler en théorie quantique. Par conséquent, nous pouvons formuler l'idée différemment et dire: l'espace-temps est quantifié. Les candidats naturels pour la durée minimale et l'intervalle de temps minimal sont la longueur de Planck et le temps de Planck.

C'est une idée intéressante en soi de penser que l'espace-temps se compose d '"atomes d'espace-temps", c'est-à-dire de blocs de construction minimaux. Par exemple, "la sortie principale de [Loop Quantum Gravity] est une image physique de l'espace où l'espace est granulaire. La granularité est une conséquence directe de la quantification. Elle a la même nature que la granularité de les photons dans la théorie quantique de l'électromagnétisme et les niveaux d'énergie discrets des atomes. Ici, c'est l'espace lui-même qui est discret. En d'autres termes, il y a une distance minimale possible pour le parcourir. "

Je ne suis expert en rien, mais je pense que c'est une manière très intéressante d'expliquer pourquoi il y a une vitesse maximale. Peut-être pouvons-nous même changer les choses et dire que l'observation selon laquelle la vitesse de la lumière est la vitesse maximale est un indice fort vers l'idée que l'espace-temps est quantifié.

Cette ligne de pensée est similaire à la conclusion que la quantification observée de la charge électrique est un indice fort vers l'idée d'une Théorie Grand Unifiée.

La principale mise en garde à garder à l'esprit est qu'il n'y a actuellement aucune preuve expérimentale que l'espace-temps est quantifié. (Et, bien sûr, aucune preuve expérimentale d'une grande théorie unifiée.)

Néanmoins, l'idée que l'espace-temps est quantifié offre une si belle explication à quelque chose qui autrement est simplement un fait expérimental qu'il semble utile d'aller de l'avant dans cette direction.(De même, la façon dont une grande théorie unifiée explique pourquoi la charge électrique est quantifiée est si belle que de nombreux physiciens pensent que l'idée de base d'une théorie grand unifiée est correcte, bien qu'il n'y ait actuellement aucune preuve expérimentale.)

JakobH: "_Unfortuantely," "Why" `questions obtiennent presque toujours ici la réponse` "Parce que c'est comme ça que la nature est!" `._" - En effet malheureux, dans la mesure où on pourrait leur répondre à la place par `En raison de la méthode expérimentalepar lequel nous essayons de savoir "si"! `."_Pour se déplacer plus vite que $ L_m / T_m $, un objet devrait parcourir la distance minimale $ L_m $ dans un intervalle de temps plus court que l'intervalle de temps minimal $ T_m $ ._" - Mais il pourrait faire des sauts discrets $ L>L_m $ pendant $ T_m $;surtout les sauts discrets $ L <2 ~ L_m $.
@user12262 Belle pensée!Cependant, je trouve tout à fait plausible que personne ne soit autorisé à sauter des points sur un réseau d'espace-temps fondamental.Néanmoins, les idées au-delà des idées standard sont toujours une question de goût.Ce qui me dérange généralement, c'est que les gens agissent comme s'il n'y avait aucune idée.
JakobH: Eh bien, je voulais aussi dire que je trouve votre choix actuel de notation désagréable, entre autres.(Cependant, pour être honnête, je n'ai pas encore soumis ma propre réponse / diatribe explicite à propos de _` "Comment la méthode expérimentale par laquelle nous définissons la vitesse et déterminons les valeurs de vitesse implique une vitesse de front de signal finie et invariante" `_ sur cette page particulière...)
Ce que vous ne réalisez pas, c'est que le modèle de physique actuel, en particulier le modèle standard de particules, incorpore à la fois le postulat de la vitesse de la lumière et de la relativité restreinte, mais aussi un nombre énorme de données dérivées d'expériences qui ne peuvent être décrites en agitant à la main un a lasolution de chariot pour la vitesse de la lumière.Pour être pris au sérieux, il faut utiliser un modèle mathématique qui intégrera également le modèle standard et les données qu'il représente aussi précisément que le modèle standard.Le temps de débattre du système héliocentrique par rapport au système géocentrique est passé depuis l'introduction
calcul et mathématiques dans la modélisation du comportement de la nature, et depuis la physique séparée de la philosophie et des mathématiques, et est une discipline qui modélise des données mathématiquement existantes et prédit de nouveaux comportements.Lorsqu'une question «pourquoi» en physique rencontre un postulat, la réponse est «parce que».Les challengers ont le poids de prouver que leur nouveau postulat explique toutes les données qui pendent du postulat déplacé.
pour continuer, par exemple les théories des cordes sont aussi belles et les gens les étudient car elles offrent une quantification de la gravité et, à mon avis, elles ont la possibilité d'intégrer le modèle standard avec ses symétries avec élégance, et en ce sens, à valider.Le modèle a besoin de nouvelles prédictions, comme par exemple la supersymétrie, qui est également spéculative, si elle est découverte au LHC, ce serait aussi une validation.
@annav Je ne suis vraiment pas sûr de ce que vous essayez d'impliquer ici.L'idée que l'espace-temps est quantifié est l'un des principaux résultats de Loop Quantum Gravity et non quelque chose de "handwavy".De plus, il y a beaucoup de recherches sérieuses dans le même sens, par ex.relativité doublement restreinte.Exprimé mathématiquement, un espace-temps quantifié nécessite que nous comprenions le groupe de Poincaré comme une contraction de Wigner du groupe de De Sitter.Cela a des conséquences expérimentales de grande portée qui peuvent être testées dans des expériences.
@annav Je ne comprends pas pourquoi vous pensez qu'un espace-temps quantifié pour expliquer la vitesse constante de la lumière est en quelque sorte en contradiction avec le modèle standard.Le groupe De Sitter devient dans la limite $ R \ rightarrow 0 $ le groupe Poincare, où $ R $ est l'échelle de longueur invariante.Ceci est anormal à la façon dont le groupe Poincaré devient dans la limite $ c \ rightarrow \ infty $ le groupe Galilei.Les effets de l'espace-temps De Sitter ne deviennent pertinents qu'à des énergies très élevées (= petites échelles de longueur), comparables à la façon dont les effets du groupe Poincaré ne deviennent pertinents qu'à des vitesses élevées.
@JakobH le modèle standard est basé sur le fait que c est une constante, car tous les nombres expérimentaux sont extraits de mesures utilisant la relativité restreinte quatre vecteurs et la conservation de la quantité d'énergie.Il ne suffit pas d'avoir les transformations dont vous avez besoin les nombres constants.
@annav uhm quoi?J'espère que vous savez qu'il existe un lien étroit entre les constantes et les transformations.Le groupe poincare est DÉFINI comme l'ensemble des transformations qui préservent c ... Le groupe de sitter préserve c, aussi ... D'où vient l'idée que je pense que c n'est pas constant?
Désolé, j'ai froid à la tête et j'étais manifestement confus hier soir.Vous rendez l'espace discret.Regardez cette question et la réponse de Motl http://physics.stackexchange.com/questions/67211/why-is-standard-model-loop-quantum-gravity-usually-not-listed-as-a-theory-of-e à propos de la gravitation quantique en boucle et du modèle standard.Je pense que je vais m'arrêter ici car cela dépasse mon niveau.Quand je verrai une théorie de la "granularité de l'espace" sortir naturellement avec les symétries du modèle standard, je m'intéresserai.
@annav pas de problème.Ah maintenant je vois ... Motl est connu pour détester tout ce qui n'est pas la théorie des cordes et tout ce qu'il dit doit être pris avec un grain de sel (cf http://rationalwiki.org/wiki/Lubo%C5%A1_Motl#cite_note-1).Je ne suis pas un partisan de LQG, mais Motl prétend évidemment un non-sens afin de promouvoir sa théorie des cordes préférée, c.f.http://physics.stackexchange.com/questions/4027/are-there-any-versions-of-lqg-that-claim-to-not-violate-lorentz-symmetry
Aussi attrayant et évident que soit l'espace-temps quantifié, c'est finalement un cadre de référence privilégié et incompatible avec la relativité.
@SoftwareEngineer pouvez-vous élaborer?
#10
+1
Joel Rice
2011-02-07 02:19:02 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Le fait que la vitesse de la lumière soit invariante est une propriété de l'espace-temps de Minkowski, et il devrait y en avoir beaucoup à ce sujet dans le Wiki - ou recherchez «algèbre géométrique» ou algèbre de Clifford.

#11
+1
kakaz
2018-05-27 17:28:41 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Il est relativement facile d'obtenir une vitesse constante de la lumière comme constante de la nature à partir du principe d'équivalence galiléenne des observateurs inertiels (GP).

GP dit que deux observateurs quelconques, se déplaçant avec (n'importe quelle) vitesse constante l'un par rapport à l'autre, sont équivalents, c'est-à-dire qu'ils décrivent tous les deux la réalité physique de la même manière.

En particulier, cela signifie qu'ils partagent les mêmes principes cinématiques, et qu'ils utilisent des cadres de coordonnées isomorphes. C'est si l'observateur O a ce système de coordonnées $ (t, x) $ et l'observateur O 'a $ (t', x ') $, ils sont liés. Si l'on considère la relation la plus simple, la dépendance linéaire, elle est décrite par les équations suivantes valables pour l'observateur O ':

$$ x '= à + bx $$ $$ t '= ct + dx $$

Comme l'observateur O est équivalent à l'observateur O 'et que la réalité physique observée à partir du cadre de coordonnées O est exactement la même, les mêmes relations doivent être valables pour l'observateur O :

$$ x = à '+ bx' $$ $$ t = ct '+ dx' $$

Attention, les mêmes coefficients a, b, c, d sont utilisés!

Si O et O 'ont des horloges synchronisées, nous pouvons combiner les deux descriptions, en essayant d'obtenir des exigences supplémentaires pour les coefficients a, b, c, d, comme décrit (en polonais), ici. Supposons que O et O 'se déplacent avec une vitesse relative V.

Nous devons définir la fonction (inconnue) d (V)

$$ x = d (x '+ Vt') $$ $$ t = d (t '+ x' V \ frac {1-d ^ {- 2}} {V ^ 2}) $$

Maintenant, si nous supposons qu'il y a un troisième observateur O '' qui se déplace avec la vitesse de U par rapport à l'observateur O ', nous pouvons demander, quelle est sa vitesse pour l'observateur O? En utilisant les formules ci-dessus, nous obtenons le résultat suivant: $$ O ("U + V") = \ frac {U + V} {1 + UV \ frac {1 + d ^ {- 2} (V)} {V ^ 2}} $$

Si nous fixons que $ d (V) = 1 $, nous aurons la physique galiléenne restaurée. Mais il n'y a aucun argument pour faire ça!

Nous avons utilisé l'observateur O comme base et l'observateur O 'se déplaçant à la vitesse V par rapport à lui. Un autre observateur O '' se déplaçait avec la vitesse de U par rapport à O ', et nous obtenons la vitesse relative de O' 'valable pour l'observateur O. La vitesse U était la vitesse de O' 'dans l'image O' qui était "traînée" par image O 'wirth "draging speed" de V.

Et si nous commençons par l'observateur O '' et calculons la même chose? Comme O et O 'sont équivalents, la seule différence est que cette fois, la "vitesse de traînée" sera U tandis qu'une autre, V serait relativement à O'. En d'autres termes, U et V échangent leur rôle. Cela signifie que la vitesse relative $ O ("U + V") $ et $ O '' ("V + U") $ doit être la même! Les observateurs sont équivalents, souvenez-vous!

Nous pouvons donc écrire:

$$ \ frac {U + V} {1 + UV \ frac {1 + d ^ {- 2} (V)} {V ^ 2}} = \ frac {V + U} {1 + VU \ frac {1 + d ^ {- 2} (U)} {U ^ 2}} $$

Après avoir réorganisé les termes, nous obtenons la formule suivante: $$ \ frac {1 + d ^ {- 2} (V)} {V ^ 2} = \ frac {1 + d ^ {- 2} (U)} {U ^ 2} $$

Il n'y a qu'une seule façon de remplir l'équation suivante: $ f (x) = f (y) $. $ f (x) $ doit être constant! Donc toute la fraction.

Nous obtenons le résultat final: $$ \ frac {1 + d ^ {- 2} (V)} {V ^ 2} = C $$ d'où vient l'analyse dimensionnelle que la constante C a une dimension de 1 / vitesse ^ 2. Il doit s'agir d'une constante universelle en supposant la validité de GP, et la physique galiléenne stricte est rétablie lorsque C est égal à 0.

La fonction $ d (V) $ est la suivante: $$ d (V) = \ frac {1} {\ sqrt {(1-CV ^ 2)}} $$

De cette façon, nous obtenons des transformations de Lorentz en supposant GP et en suivant des règles générales avec une relation linéaire entre trois observateurs inertiels.

Si nous voulons connaître la valeur de la constante C (inconnue encore), nous devons effectuer diverses expériences. Mais nous pouvons remarquer que les transformations de Lorenz laissent les équations de Maxwell inchangées, et cela nous donne une relation entre notre constante C et la vitesse de la lumière dans le vide: $$ C = \ frac {1} {c ^ 2} $$

Le raisonnement ci-dessus a été exécuté (et publié dans les années 60) par le physicien polonais Andrzej Szymacha.

#12
  0
Sean
2014-11-05 17:08:04 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Les gens peuvent dire des choses telles que "... nous n'avons pas de justification théorique pour la constance de la vitesse de la lumière ...", ou dire "ces choses sont simplement, donc il n'y a pas de plus profond, de plus fondamental, explication. ". Ainsi, de telles personnes en général acceptent l'effet, mais elles n'ont aucune envie de trouver la cause.

Cependant, il est à noter que si vous analysez l'idée simple d'un mouvement absolu se déroulant dans une 4 dimensions absolue structure connue sous le nom d'espace-temps, vous finissez bientôt par dériver indépendamment toutes les équations de relativité spéciale et, bien sûr, vous acquérez simultanément une compréhension complète de la relativité spéciale. Si vous êtes intéressé, consultez la preuve de cette simple analyse du mouvement sur http://goo.gl/fz4R0I

En partant de la base absolue, ce à son tour révèle la cause absolue.

Ainsi, en ayant vu la cause absolue, quelle que soit la vitesse à laquelle deux observateurs se déplacent dans l'espace via deux vitesses différentes, il devient parfaitement clair de savoir pourquoi la vitesse de la lumière restera la même pour ces deux observateurs. .

Malheureusement, même si l'on peut pleinement englober la Relativité Spéciale via une enquête indépendante sur le fondement absolu, en tant que caractéristique de la Relativité Spéciale, ce fondement absolu ne peut pas être détecté. Ainsi, une telle exploration se limite à se limiter à un aller simple. Comme ces absolus sont indétectables, ils ont été considérés comme sans importance, ils ont donc été rapidement jetés par la fenêtre. La relativité était alors acceptée comme étant le tout important plutôt que l'absolu étant considéré comme le tout important.

Le bailleur était considéré comme ayant clairement démesuré le plus grand!

Ainsi quand des explications absolues sont posées, les réponses absolues en général ne sont pas données, car les absolus sont considérés comme sans importance.

Y a-t-il une explication * visuelle * de ces 4 dimensions?


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 2.0 sous laquelle il est distribué.
Loading...