Nach klassischer Physik: nein. Es ist unmöglich zu sagen, wie schnell sich etwas aus einem Schnappschuss bewegt.

Nach spezieller Relativitätstheorie: ja. Wenn wir einen Referenzrahmen wählen, in dem einer der Bälle ruht, sieht nur dieser Ball normal aus. Der andere Ball bewegt sich in diesem Rahmen, so dass er sich in der Länge zusammenzieht. Wenn die Restlänge $ L $ span> ist, beträgt die Länge jetzt $ L \ sqrt {1-v ^ 2 / c ^ 2} $ span>. Da $ 1-v ^ 2 / c ^ 2<1 $ span> ist der Ball in der Bewegungsrichtung kürzer.

Laut Quantenmechanik: ja? In der Quantenmechanik werden Teilchen durch eine Wellenfunktion $ \ psi (x) $ span> beschrieben, die (handgewellt) angibt, wie viel Teilchen an einem bestimmten Punkt vorhanden ist. Ein Tennisball wird auch durch eine Wellenfunktion beschrieben, die Sie erhalten können, indem Sie alle Wellenfunktionen seiner Atome kombinieren. Die Wellenfunktion enthält tatsächlich alle Informationen, die Sie möglicherweise über ein Objekt wissen können, einschließlich seiner Geschwindigkeit. Wenn Sie also die Zeit anhalten und die Wellenfunktion betrachten könnten, hätten Sie genügend Informationen, um ihre (wahrscheinlichste) Geschwindigkeit zu kennen. Im wirklichen Leben kann man Wellenfunktionen nicht wirklich betrachten: Sie müssen ein Experiment durchführen, um Informationen aus der Wellenfunktion zu extrahieren. An dieser Stelle könnten Sie sich fragen, ob dies immer noch als Schnappschuss gilt.

Wenn wir einen Schnappschuss von beiden Tennisbällen machen könnten, gäbe es Hinweise darauf, dass sich einer bewegt und der andere sich noch befindet?

Wir können nicht. Problem gelöst.

Nun, fast das Problem gelöst. In Wirklichkeit können wir also immer kürzere Belichtungen machen. Ich kann eine 1-Sekunden-Belichtung der Szene machen, in der der sich bewegende Tennisball stark unscharf wird, während der stationäre knusprig ist. Ich kann dieselbe Szene in 1/100 Sekunde aufnehmen, und der sich bewegende Ball sieht knackiger aus als der stationäre. Ich kann dieselbe Szene in 1/1000 Sekunde aufnehmen, und es wird für das menschliche Auge sehr schwierig sein, zu erkennen, welche in Bewegung ist. Ich kann diese Schnappschüsse immer kürzer machen. In der Tat haben wir uns Bildszenen mit so hohen Verschlusszeiten angesehen, dass wir beobachten können, wie sich Licht durch die Szene ausbreitet. Aber wir sind nie ganz zum Stillstand gekommen. Wir haben nie eine unendlich kurze Verschlusszeit erreicht.

Jetzt vergib mir, wenn ich ein bisschen mit der Hand winke, aber es gibt eine unvorstellbar große Menge an Beweisen dafür, dass Bewegung existiert. Insbesondere können Sie nicht viel vorhersagen, wenn Sie davon ausgehen, dass keine Bewegung auftritt. Unter diesem empirischen Gesichtspunkt sollten wir also feststellen, dass Bewegung existiert. Aus philosophischer Sicht gibt es einige interessante Fragen zu erträglichen und dauerhaften Ansichten des Universums, aber aus wissenschaftlicher Sicht sind wir uns im Allgemeinen einig, dass Bewegung existiert.

Wie lösen wir das Rätsel, über das Sie nachdenken? Die Antwort ist Kalkül. Vor ungefähr 400 Jahren entwickelten Isaac Newton und Gottfried Leibniz unabhängig voneinander eine konsistente Art, mit unendlich kleinen Werten umzugehen. Wir akzeptieren dies im Allgemeinen als die "richtige" Art, mit ihnen umzugehen. Es erlaubt uns nicht, eine wirklich unendliche Verschlusszeit in Betracht zu ziehen, die es uns ermöglicht, einen Moment perfekt zu isolieren, um zu sehen, ob Bewegung vorliegt oder nicht, aber es lässt uns die Frage beantworten: "Was passiert, wenn wir die Verschlusszeit verlängern?" Was ist, wenn wir 1/100 Sekunde, 1/1000, 1/100000, 1/0000000000stel Sekunde fahren und einfach weitermachen? " Was passiert, wenn unsere Kamera eine unendlich kleine Belichtungszeit hat?

Mit dieser Strenge stellen wir fest, dass das Modellieren der Welt um uns herum wirklich zwei Dinge erfordert. Der erste sind die Werte, mit denen Sie vertraut sind, z. B. die Position. Und das zweite sind die Ableitungen dieser vertrauten Dinge, wie z. B. Geschwindigkeit. Dies sind die Ergebnisse der Anwendung des Kalküls auf die erstere Gruppe.

Wir stellen fest, dass Modelle wie Lagrange- und Hamilton-Modelle von Systemen bemerkenswert gut funktionieren, um praktisch alle Systeme vorherzusagen. Diese Systeme enthalten explizit dieses Konzept einer Ableitung, diese Idee einer "augenblicklichen Änderungsrate". Wir sagen also, dass es Bewegung gibt, weil es unvorstellbar schwierig zu glauben scheint, dass diese Muster so gut funktionieren, wenn es keine Bewegung gibt!

Als Randnotiz haben Sie Ihr Experiment im Weltraum eingerichtet, sodass es nicht viel zu interagieren gibt. Wenn Sie das Experiment jedoch im Wasser durchgeführt hätten, wäre der chaotische Fluss hinter dem sich bewegenden Ball sehr interessant. Es wäre reif für faszinierende und schöne Wirbel, die nur schwer zu erklären sind, wenn sie mit einer Vorwärtsbewegung verbunden sind.

Es geht um den Referenzrahmen, im Referenzrahmen des vom Astronauten geschobenen Tennisballs könnte er als stillstehend und der andere Ball, der Astronaut und alles andere als bewegend angesehen werden.Für den Bezugsrahmen des anderen Balls könnte er als stillstehend und der erste Ball als bewegend angesehen werden.Wenn Sie mit einem der beiden Gesetze in ihrem Bezugsrahmen zusammen wären, wären alle physikalischen Gesetze des Universums gleich und keines könnte als absolut bevorzugt werden.Dies ist eine der Grundlagen der Relativitätstheorie.

Zylinder existieren nicht

Wenn ich Ihnen ein Bild von zwei runden Objekten zeige und Ihnen sage, dass eines eine Kugel und das andere ein Zylinder ist, den Sie frontal betrachten, wie können Sie dann feststellen, ob ich die Wahrheit sage oder lüge? Sie können nicht, und deshalb schließe ich, dass es keinen Unterschied zwischen Kugeln und Zylindern gibt, weil uns die richtigen Beweise für ihre Existenz fehlen.

Projektion

Der Punkt hier ist, dass Bewegung Zeit benötigt und ein Schnappschuss eine Projektion eines erweiterten 4-D-Objekts in 3- oder ist 2-D. Die naivsten derartigen Projektionen zerstören notwendigerweise Informationen über zusätzliche Dimensionen. Wenn ich eine der Achsen entferne, die Ihnen helfen würden, einen Zylinder von einer Kugel zu unterscheiden (ohne Berücksichtigung von Lichtreflexionen usw.), unterscheidet sich dies nicht vom Entfernen der Zeitdimension, um eine Unterscheidung zwischen einem sich bewegenden oder einem statischen Objekt unmöglich zu machen.

Schlussfolgerung

Wenn Sie die getrennte Existenz von Kugeln und Zylindern feststellen möchten, müssen Sie sie in allen Dimensionen untersuchen, die sie voneinander unterscheiden. Wenn Sie die Existenz dynamischer 4-D-Objekte (Objekte, die sich in der Zeitdimension unterscheiden) feststellen möchten, müssen Sie sie in allen Dimensionen untersuchen, die sie von rein statischen Objekten unterscheiden (Objekte, die entlang der Zeitdimension konstant sind).

Ihre Frage geht davon aus, dass sich ein Ball bewegt und der andere still steht.Diese Annahme ist ohne Angabe eines Bezugsrahmens bedeutungslos.Alle Bewegung ist relativ.Für jeden der Bälle schien sich der andere zu bewegen.Der „Beweis“, dass sie sich bewegen, beinhaltet die Tatsache, dass sie einander kleiner erscheinen würden und dass sich ihre Trennung geändert hat.

Sie beschränken Ihren Schnappschuss auf ein 3D-Bild.

Wenn Sie einen 2D-Schnappschuss machen würden, wäre es unmöglich zu sagen, wie tief Ihre Tennisbälle sind (zusätzlich dazu, dass Sie ihre Bewegung nicht erkennen können).

Machen Sie also einen 4D "Schnappschuss", und alles wird gut.

Wenn wir einen Schnappschuss von beiden Tennisbällen machen könnten, gäbe es Hinweise darauf, dass sich einer bewegt und der andere sich noch befindet?Geschieht auf atomarer oder größerer Ebene etwas, das für die Bewegung verantwortlich ist?

Wenn die Kugeln wirklich identisch sind und Sie sich in Bezug auf eine von ihnen in Ruhe befinden, sieht das Licht der sich bewegenden Kugel durch die Doppler-Verschiebung roter oder blauer aus, je nachdem, ob sie sich auf Sie zu oder von Ihnen weg bewegt.Dies wäre am offensichtlichsten, wenn Sie zwischen den Bällen und auf ihrer Achse positioniert wären, aber Sie könnten dies immer tun, solange sich der sich bewegende Ball zumindest teilweise von Ihnen nähert oder von Ihnen wegbewegt.

Die Fotos würden identisch aussehen, aber Sie müssten jedes Foto aus einem anderen Trägheitsreferenzrahmen aufnehmen.Sie müssen sich mit einer anderen Geschwindigkeit in eine andere Richtung bewegen, um das Foto aufzunehmen.Dies zeigt, dass es inhärente Unterschiede zwischen sich bewegenden Objekten gibt.

Wenn dies nicht der Fall ist und beide Bälle absolut identisch sind, warum ist dann einer still und der andere bewegt sich? Woher kommt der Bewegungsunterschied?

Ich denke nicht, dass diese Frage annähernd so verwirrend ist, wie Sie vielleicht denken, und ich denke auch nicht, dass sie eine ausgefeilte Physik erfordert, wie die beste Antwort beschreibt. Fragen Sie sich, wie zeigen Sie mit einem Schnappschuss, dass eine Schüssel Suppe eine kalte 5 ° C gegenüber einer warmen 45 ° C hat? Oder wie können Sie zeigen, dass ein Radio ausgeschaltet ist oder Musik dröhnt? Intuitive Lösungen für diese Fragen wären, ein Bild mit einem Thermometer oder einem Oszilloskop aufzunehmen, das an einem Mikrofon im selben Rahmen angebracht ist.

Der einfachste Weg, mit einem Schnappschuss zu zeigen, dass sich ein Tennisball bewegt, besteht darin, ein Bild mit einem Tachometer im selben Bild wie der Ball aufzunehmen.

Diese Beispiele lassen sich nur schwer direkt in einem einzigen Schnappschuss in der Zeit zeigen, da sie alle die kollektive Bewegung kleiner Partikel beinhalten (gleichmäßige Bewegungsgeschwindigkeit, zufällig für thermisch und periodisch für Schall). Und Bewegung wird als Änderung der Bewegung mit der Zeit beschrieben, aber ein Schnappschuss erfasst eine Instanz in der Zeit, keine Änderung.

Es ist vielleicht interessant, in diesem Zusammenhang über Machs Paradoxon nachzudenken.Ich werde am Ende auf Ihre Frage und die Grenzen der Zwei-Körper-Methode zur Diskussion der speziellen Relativitätstheorie zurückkommen.Eine Form des Paradoxons ist folgende: Stellen Sie sich einen Eimer Wasser vor, der auf dem Boden steht.Die Oberfläche ist (fast) flach.Jetzt fang an, es zu drehen.Die Wasseroberfläche beginnt ein Paraboloid zu bilden.Woher weiß das Wasser, dass es sich dreht?Warum ist der Bezugsrahmen, in dem die Wasseroberfläche flach ist, derselbe Rahmen, in dem sich die Sterne nicht relativ zum Eimer bewegen (was fast mit dem Rahmen übereinstimmt, in dem sich die Erde noch befindet)?

Die Antwort lautet, dass die Anwesenheit der Sterne die globale Geometrie des Universums und damit den lokalen frei fallenden Rahmen bestimmt, in dem sich der Eimer aufgrund der Schwerkraft und Rotation der Erde (die sich im freien Fall befindet) kleinen Korrekturen unterziehtum die Sonne, die sich im freien Fall durch die Galaxie befindet, die sich im freien Fall durch das Universum befindet).

Wie hängt das alles mit Ihrer Frage zusammen? Nun, wir können Beschleunigungen relativ zu einem globalen Rahmen, der durch die Fixsterne gegeben ist, mit einem so einfachen Werkzeug wie dem oben genannten Eimer bestimmen. Wenn wir diesen globalen Rahmen jedoch als etwas Besonderes akzeptieren, können wir auch Bewegungen relativ zu diesem globalen Rahmen erkennen, der in gewissem Sinne absolut ist, wie er vom Universum in seiner Gesamtheit gegeben wird. Dazu benötigen Sie eine Langzeitbelichtung und einen klaren Nachthimmel. Sie würden dann die Bewegung Ihrer Tennisbälle mit der Bewegung der Sterne vergleichen und könnten in einem sinnvollen Sinne die Differenz der Bewegung relativ zu den Sternen als absolute Bewegung bezeichnen, da sie relativ zu der ist Universum als Ganzes (in guter Näherung, je nachdem, wie viele Sterne Sie tatsächlich fotografieren können). Da dies buchstäblich das Gegenteil von dem ist, was Sie gefragt haben, beantwortet es Ihre Frage nicht buchstäblich, aber ich denke, es beantwortet dieselbe Frage im Geiste, nämlich ob es einen physischen Unterschied zwischen "Bewegen" und "stationär" gibt.

NB Es mag scheinen, dass ich durch diese Denkweise die gesamte spezielle Relativitätstheorie auf den Kopf stelle, aber das stimmt nicht. Spezielle Relativitätstheorie ist ein gutes Naturgesetz, man muss sich nur anderer Objekte bewusst sein, die bei der Anwendung vorhanden sind, und ob sie Einfluss auf die untersuchte Frage haben - und diese Aussage ist eine triviale Wahrheit, die Einstein sicherlich in den Sinn kam als er zum ersten Mal das Zeitdilatationsgesetz schrieb.

Es ist möglich, die absolute Bewegung relativ zum kosmischen Mikrowellenhintergrund zu messen. Ein System in Ruhe mit der sich bewegenden Kugel würde einen Dipol in der Hintergrundstrahlung messen.

Wenn wir mit Schnappschüssen über Ihr Beispiel hinausblicken, können wir einfach in die moderne Technologie schauen und ein kleines Ding namens Videos finden.Sie können Bewegungen ziemlich leicht aufzeichnen."Gibt es physische Beweise für Bewegung", Videos?