Стареют ли фотоны?

У фотонов не может быть перспективы.

Если у нас есть частица с массой, мы можем представить себе систему отсчета, в которой эта частица покоится. Тогда мы сможем увидеть вещи «с точки зрения частицы». Но нет системы отсчета, в которой фотон покоится. Фотоны всегда движутся со скоростью света в любой системе отсчета.

Если я попытаюсь создать систему отсчета, движущуюся со скоростью света, возникнет сингулярность. Во Вселенной нет времени, и все пространство сжато в два измерения. Так что на самом деле у фотона нет перспективы. Мы можем рассматривать время только в той системе отсчета, которая его включает. Имеет смысл сказать, что фотонам в нашей системе отсчета один год. И это лучшее, что мы можем сказать.

Существует относительное количество$s^2$который определяется как$t^2-x^2$, где$t$разница во времени между двумя событиями и$x$разница в положении (измеряется в таких единицах, что$c=1$). Если$s^2$положительно, то квадратный корень из него и есть собственное время. Если он отрицательный, то квадратный корень из$-s^2$это правильное расстояние. (Кстати, собственные времена/расстояния инвариантны относительно преобразований Лоренца, то есть они одинаковы в каждой инерциальной системе отсчета).

Собственное время — это то, сколько времени испытывает объект между двумя событиями. Мы можем написать$x = vt$, где$v$есть скорость объекта, и тогда$s = \sqrt {t^2-(vt)^2}$, и мы можем вынести за скобки$t$получить$s = t \sqrt {1-v^2}$. Это замедление времени: чем больше$v$то есть, тем меньше собственного времени у нас есть для фиксированного$t$. Если$v=c$, то имеем$s = t \sqrt {1-1}$(помните, у нас есть такие единицы, что$c = 1$), поэтому собственное время равно нулю. Таким образом, между испусканием и поглощением фотона нет собственного времени (за исключением некоторых осложнений, таких как фотон, проходящий через прозрачную среду).

Итак, если вы принимаете собственное время за «возраст», то фотон не имеет возраста. Если у вас есть другое определение, то оно может иметь возраст. В этом смысле фотон не «переживает» время, и его нет «с точки зрения фотона». Примером следствий этого являются осцилляции нейтрино. У нейтрино есть три разных вкуса, и они будут колебаться между ними. Когда-то было неизвестно, имеют ли нейтрино массу, но тот факт, что нейтрино колеблются, требует, чтобы они имели массу. Если бы у них не было массы, они бы путешествовали со скоростью$c$и имеют нулевое собственное время. Но колебания происходят с течением времени, поэтому частица, движущаяся со скоростью$c$не сможет колебаться.

Даже если вы замените определение собственного времени на «пройденное расстояние», вы не можете гарантировать, что правильно рассчитали это расстояние. Предположим, фотон был поглощен межзвездным газом водородом, а затем переизлучен с другой длиной волны, был ли это новый фотон или старый?

Время не изменило систему, связанную с фотоном. С технической точки зрения, ваши фотоны, которые ни с чем не сталкивались, были бы того же возраста, что и сама звезда.

Но когда ученые вводят понятие «возраст фотона», они в основном считают его функцией длины волны. Поэтому фотоны, испускаемые вблизи красной зоны черной дыры, будут терять свою энергию.$E=h \omega$, имеют увеличенную длину волны$\lambda=c\cdot 2\pi/\omega$до бесконечной длины волны (когда вы начинаете с$g_{00}=0$). Другими словами, такие фотоны будут иметь «бесконечный возраст».

Поскольку фотон был испущен далекой звездой, он испытает красное смещение в соответствии с законом Хаббла.$v=H\cdot L$. Вместо этого это красное смещение может быть связано с «фотонным старением». Что будет иметь точно такое же значение, что вся Вселенная имеет тенденцию к расширению с кривизной в соответствии с общей теорией относительности. Так что «фотонное старение» в этом смысле будет тем же самым, что и кривизна пространства-времени, уже рассмотренная в ОТО, которая будет дубликатом.

Это зависит от того, кто именно проводит измерения.

Существует очень реальный смысл, несмотря на то, что ответы здесь, возможно, либо преуменьшают значение, либо недостаточно прямо относятся к нему, в котором вы можете разумно сказать, что испущенные фотоны «заморожены» и не имеют возраста, и что ни фотоны, ни фотоны, ни какие-либо другие безмассовые частицы не претерпевают никаких внутренних изменений или эволюции.

Другие ответы верны, предполагая, что не существует такой вещи, как «перспектива» фотона, но на самом деле причины этого придают вес идее «нестареющих фотонов»: у вас не может быть «точки зрения». «Фотона потому , что фотон не может претерпевать никаких внутренних изменений, и причина, по которой он это делает, заключается в том, что он не стареет (в очень широком физическом смысле). Чтобы вы могли «испытывать», ваш материальный организм должен подвергнуться некоторому внутреннему динамизму, такому как возбуждение нейронов, формирующих паттерны обработки информации в вашем мозгу, которые, по крайней мере, позволяют вам отмечать время и отмечать получение информации. информацию из внешних источников. Но и фотон не может этого сделать.

Математически понятие «нестареющих» фотонов может быть дано в терминах метрики собственного времени их мировой линии: «длины» или метрики кривой.$\gamma$между любыми двумя точками пространства-времени в обычных координатах Минковского$(t, x, y, z)$, является

. На самом деле это самое близкое к тому, о чем, как я думаю, вы спрашиваете: хотя это и не «перспектива», это «абсолютная» мера того, «насколько что-то состарилось» во время его перемещения между двумя точками в пространстве. -время. А для фотонов$\tau = 0$всегда - они нестареющие.

Но , конечно, с точки зрения кого-то на Земле , то это зависит от нашего стандарта одновременности. В пространстве-времени Минковского есть естественное, но не исключительное, значение, которое можно использовать, а именно "координаты Минковского", которые я только что упомянул, с установленным значением$t$, и это тот, о котором вы обычно слышите, и по этому стандарту фотонам 1 год. Однако с точки зрения общерелятивистского мышления, которое, кстати, на самом деле является более «полной» теорией релятивистской механики и не просто не дает своих уроков, если мы рассматриваем случай плоского пространства-времени, на самом деле не существует ничего важно о координатах Минковского. Это метрика пространства-времени, о которой я упоминал выше, имеет значение, и, следовательно, нет абсолютно честного непроизвольного смысла, в котором «одновременность» вообще имеет смысл — лучше говорить о «причинно связанных» и «причинно несвязанных». ": могут ли две точки пространства-времени послать сообщение от одной к другой.

Если мы выберем этот путь, чтобы принять дисциплинированную общую теорию относительности и сознательно осознать ситуацию, мы можем сделать следующие утверждения: испускание фотонов «едва ли» причинно связано с их приемом на Земле, пересеченный интервал равен нулю, поэтому фотоны не стареют "с их собственной [не]точки зрения", а время прохождения фотона туда и обратно составляет два года , и нет смысла говорить "сейчас", если только вы не определите для меня какой из$\beth_1$возможности, которые вы хотите для меня, как тот, который вы хотели бы использовать.

Итак, ответ на ваш вопрос « Стареют ли фотоны? »:

С небольшой корректировкой определений, чтобы получить то, что, держу пари, вам действительно нужно, нет. Но если мы решим стать немного более исследовательским, да , в возрасте одного года. И уж тем более, с последней стороны, это не имеет смысла .

Нет, со скоростью света время стационарно, я думаю, говорит Эйнштейн, и оно будет деградировать только при взаимодействии с чем-то другим. И, как мы знаем, фотон будет вечно существовать в вакууме, если ему не будут препятствовать, и если это так, то не может быть никакого старения.