Energie und Gravitation von Photonen in Extremfällen

afridelle · Anmeldungsdatum: 17.02.2011 Beiträge: 20

Da meine Frage/n während des schreibens immer komplexer/länger geworden sind habe ich es erstmal gegliedert

es wäre nett wenn ihr euch beim beantworten auf die Zahlen der Gliederung bezieht dann ist es für mich einfach die Antworten einzuordnen und zu verstehen, da ich nicht erwarte, dass sie einfach zu verstehen sein werden.

Nehmt bitte Rücksicht bei euren Antworten
ich bin nur ein armer Chemiestudent smile

(ich hätte ja Physik genommen wenn ich besser in Mathe wäre)

1.

Was passiert wenn 2 SL miteinander kollidieren, wobei beide die gleiche Masse haben eines jedoch aus Materie und eines aus Antimaterie besteht?

Ich habe mir überlegt das die entstehenden Gammaquanten sich innerhalb des Schwarzschildradius befinden und immernoch die gleiche Masse/Energie wie die SL's haben.(Wenn es bei der Kollision langsam zerstrahlen würde da sich die beiden SL's nicht zur gleichen Zeit am gleichen Ort befinden nehmen wir einfach mal an das sie das tun (z.B. mit raumschiffenterprisemässiger Augenzwinkern

Teleportation ineinander teleportiert werden

Dann müsste Doch ein SL's mit doppelter Masse entstehen da die Photonen den Schwarzschildradius nicht verlassen können, oder?

2.
Ich habe noch eine weitere Frage zu dem Thema

Prämisse zu dieser frage ist, dass man davon ausgeht das der Raum nicht gequantelt ist und Photonen daher eine beliebig hohe Energie haben können.

2.1 <---
Was würde mit einem Photon geschehen das beispielsweise die Masse/Energie einer Galaxie hat?(abgesehen von dem Problem soeines zu erzeugen :p)

2.2
Die Wellenlänge nimmt mit steigender Energie ab daher müsste sie winzig sein (Wenn jemand einen TR zur Hand hat und das ungefähre Gewicht einer Galaxie kennt kann er sie ja mal ausrechnen)

2.3 <---
Würde sich das Photon wie ein SL verhalten, da es aufgrund der eigenen Energie/Masse den Raum soweit krümmt das es sich selbst auf eine Kreisbahn zwingt?
Oder würde es sich verhalten wie ein "normales" Photon?
Wie würden wir es wahrnehmen, bzw wie interagiert es mit der Raumzeit?

3.
Mir ist beim schreiben noch eine dritte Frage eingefallen.
Diese gehört vllt eher in die Quantenphysik (ich war mir bei meinem Thema sowieso nicht so sicher ob ich es in "Quantenphysik" oder in "Astronomie" poste)

3.1
Wenn aus Energie Materie entsteht (zb aus einem Gammaquant)
Entstehen aus einem ruhemasselosen Teilchen (das sich mit Lichtgschw. bewegt) plötzlich 2 Teilchen die eine Ruhemasse haben
Wie viel Energie des Photons werden zu Materie und wie viel zu Kinetischer Energie des Teilchens (oder befinden sie sich bei ihrer Entstehung in absoluter Ruhe?)
Hier brauche ich keine Rechnung eine Erklärung wie sie die Aufteilung (wenn es sie gibt) verhält hilft mir weit mehr als wenn ich es mir erst aus den (wahrscheinlich seeeeeehr komplizierten) Formeln herauslesen muss.

3.2
Ein weiterer Punkt zur entstehung von Materie und Energie ist wie kann ich es mir modellhaft vorstellen wie aus einem Teilchen das sich mit LG
bewegt 2 Teilchen entstehen die sich nicht mit LG bewegen können (Ruhemasse).

3.3
Wodurch wird die Entstehung von Materie aus Energie ausgelöst und warum benötigt man sehr viel Energie damit überhaupt Materie entstehen kann?
Warum entstehen keine Teilchen-Antiteilchenpaare durch Radiowellen (es könnten ja sehr leichte Teilchen entstehen die evtl. sehr instabil sind und sofort wieder zerstrahlen.(Warum gibt es kleinste "Materieteilchen" aber keine kleinste Energie für Photonen)

3.4
Und wodurch entscheidet sich was für Teilchen aus einem Photon entstehen

4.
Kann man ein Photon so geringer Energie erzeugen (z.B. indem ich ein Elektron minimal beschleunigt das seine Wellenlänge grösser als unser Universum ist (Wäre das Universum eine 4D Kugel würde es sich dann selbst überlagern?(Das würde ja bedeuten das es zu einem Zeitpunkt immer eine bestimmte Wellenlänge also Energie nicht geben kann da das Photon mit sich selbst Destruktiv interferiert)

4.1
Wenn man ein Photon mit einer Wellenlänge von z.B. 1 Lichtsekunde erzeugt braucht es dann 1 Sekunde um zu entstehen oder ist die Ausdehnung der Welle nicht durch die Lichtgeschw. begrenzt?
(Wenn sie durch die Lichtgeschw. begrenzt ist erübrigt sich Punkt 4.)

evtl. sind meine Fragen mit dem heutigen Wissensstand noch nicht zu beantworten

aber fragen schadet ja nicht smile

unbeantworte Fragen sind mit einem "<---" markiert :p

Danke erstmal das ihr überhaupt bis hierher gelesen habt.

Thesaurus · Anmeldungsdatum: 15.06.2011 Beiträge: 22

Hi afridelle,

zu 1) Schwarze Löcher wirken nach außen nur durch ihre Masse, andere Eigenschaften hat diese Materie nicht. Deshalb gibt es von außen betrachtet nur die Verschmelzung der beiden SL zu einem neuen, wobei der Impulserhaltungssatz gilt. Die Masse des neuen SL entspricht natürlich der Summe der Massen beiden kollidierenden SL.

zu 2.2) Die Wellenlänge wäre bei der Masse unserer Galaxis größenordnungsmäßig 10E-83 Meter. Bei allen anderen Fragen zu 2) würden mich die Antworten auch sehr interessieren, ebenso bei den Fragen zu 4) Augenzwinkern

zu 3.1) Man braucht mindestens die Energie im Photon, die zur Erzeugung der Masse der beiden Teilchen benötigt wird. Die Energie, die "übrig bleibt", wird zu kinetischer Energie. Es gilt bei dem Prozess der Impulserhaltungs- und der Energieerhaltungssatz. Richtung und Geschwindigkeit der erzeugten Teilchen ergeben sich aus den beiden Erhaltungssätzen.

zu 3.4) Bitte korrigiert mich, wenn ich hier falsch liege: Aus einem Photon können alle Teilchen entstehen, für deren Erzeugung die Energie des Photons ausreicht. Welche tatsächlich entstehen, ist "Zufall".

Auf eine Antwort zu 3.2) bin ich auch gespannt. Wer 3.3) beantworten kann, dürfte wohl demnächst den Nobelpreis bekommen Augenzwinkern

Gruß

Thesaurus

afridelle · Anmeldungsdatum: 17.02.2011 Beiträge: 20

danke für die antworten
bei den fragen die du mir beantwortet hast hatte ich schon ähnliche vermutungen :p
aber bei denen die überbleiben bin ich ratlos ^^

shAGGie · Anmeldungsdatum: 10.06.2011 Beiträge: 12

3.1
Sagen wir mal 1,05 MeV sind nötig für die Elektron-Positron-Paarbildung.
Dann entstehen dabei ein Elektron, sowie ein Positron mit jeweils der Energie von ca. 511 keV (Ruhemassenenergie von Positron/Elektron) sprich 1,05 MeV - 2 x 0,511 MeV = 28 keV die als kinetsiche Teilchenenergie überbleiben. Man beobachtet solche Paarbildung jedoch nicht im Vakuum sondern nur in der nähe eines Atoms bzw. in dem elektrischen Feld eines Elektrons.

3.2
Betrachte mal nicht die Geschwindigkeit der Photonen, sondern den Zeitpunkt an dem soviele Photonen auf einem winzigen Punkt konzentriert sind, das die Energie des Punktes dem von einem Elektron-Positron-Paar entspricht. (etwas über 1 MeV)

Wie schon in punkt 3.1 gesagt, passiert sowas nicht im Vakuum, sprich das Photon mit der Energie von über 1,05 MeV muss mit Materie zusammenstoßen. Die überbleibende kinetische Energie wird dabei teilweise auf die entstehenden Elektron, Positron und auf das angestoßenen Teilchen übergeben (im rechnerischen Beispiel 28 keV)

3.3
Warum keine Teilchen-Paare aus niederenergetischer Strahlung entsteht lässt sich daran festmachen, das die Energie nur ausreicht um bestehende stabile Teilchen lediglich in bewegung zu versetzen. Sprich der Impuls des einzelnen Photons bspw. mit 0,00001 eV (Radiowelle mit 2,4 GHz bspw. W-LAN) Die Auslenkung eines Elektrons in einer Antenne solch eines Photons lässt sich messen. Sprich die Impulserhaltung zeigt uns das dabei keine Energie verloren ging, ausser die die benötigt wird das Elektron zu beschleunigen da es eine (Ruhe-)Masse hat.

Würde Energie dafür draufgehen das Teilchenpaare entstehen bei so minimaler Energie, würde man das daran merken, dass die ausgesandten Photonen sozusagen nicht voll ankommen.

Ich glaube die kleinsten Teilchen sind Elektron-Neutrinos mit weniger als 2eV Energie. Aber wie gesagt wenn das geschehen würde, würden wir das anhand des geringeren Impulses eines bspw. 5eV
Photons mitbekommen, da dieses dann nur noch 1 eV bei einer Neutrino-Antineutrino-Paarbildung übrig hätte.

3.4
Entscheiden tut sich das durch die Energie die an einem Punkt herrscht. Einfaches Beispiel: Teilchenbeschleuniger, da werden Teilchen (bspw. Protonen oder gar ganze Atomkerne siehe LHC) auf Kollisionskurs gebracht und bei der Kollision entstehen aus der Aufprallenergie (die fast schon TeV erreicht) "neue" Teilchen. So wie wenn ein extrem starkes Photon mit einem Teilchen kollidiert.

4.
Nein, die Lichtwelle breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, sprich sie wird das gesamte Universum nicht ausfüllen. Ausserdem schwingt ein "leicht" angestossenes Elektron nur, es gibt kein Photon mit so niedriger Energie ab, die eine derartige Wellenlänge haben wird.

4.1
Stell dir mal die Bewegung des Lichts nicht wie eine sichtbare Welle auf dem Wasser vor. Sondern das Teilchen bewegt sich lediglich wellenförmig (auf und ab, gerichtet nach Vorn), sprich du würdest nur die Spur eines Photons als Welle sehen können.

Grüße

afridelle · Anmeldungsdatum: 17.02.2011 Beiträge: 20

danke shaggie smile

zu 4

ich habe mir photonen immer wie eine stehende welle vorgestellt bei der jeder oszilator ein möglicher aufenthaltbereich für das photon ist
zusätzlich bewegt sich diese stehende welle durch den raum
(als wenn man eine stehende welle in z.B. einem eimer im auto mitführt)

eine frage noch
du hast geschrieben das es photonen so grosser wellenlange/geringer energie nicht gibt.
da sich das universum ausdehnt wird die hintergrundstrahlung immer langwelliger.
dann müsste die wellenlänge der hintergrundphotonen bis in die unendlichkeit wachsen.
also müsste es doch auch möglich sein das photonen mit unendlich kleiner energie existieren/entstehen.
was ist der grund dafür das elektronen oder andere geladene teilchen erst bei einer beschleunigung grösser x strahlen?
ich habe es in der schule so gelernt (physik LK bei einem prof. dr.)
das beschleunigte ladungen generell strahlen.

shAGGie · Anmeldungsdatum: 10.06.2011 Beiträge: 12

shAGGie · Anmeldungsdatum: 10.06.2011 Beiträge: 12

Naja, das Problem bei all unseren Interpretationsversuchen ist die Beschränktheit unserer Vorstellungskraft Big Laugh

Die verschiedenen Zustände von elektromagnetischen Strahlen lassen immer die Möglichkeit zu, sie der Jeweiligen Situation anzupassen.

afridelle · Anmeldungsdatum: 17.02.2011 Beiträge: 20

shAGGie · Anmeldungsdatum: 10.06.2011 Beiträge: 12

Gepe · Anmeldungsdatum: 18.06.2011 Beiträge: 2

Hallo afridelle,

Zu 2.1 und 2.2
Diese Punkte scheinen mir stark verknüpft mit der Planck-Länge (vgl wikipedia).

Nach meinem Verständnis hat die Planck-Länge folgende Bedeutung:
Es kann kein Objekt geben, das kleiner ist als die Planck-Länge, weil es sonst zu einem SL kollabieren würde.
(So ist die Gravitationskonstante ein wichtiger Bestandteil in der Formel zur Planck-Länge).

Zusammengefasst:
mit steigender Energie wird die Wellenlänge eines Photons immer kleiner
Sobald aber die Wellenlänge eines Photons gleichgross wie die Planck-Länge ist, dann verliert das Photon seinen Wellencharakter, und verhält sich jetzt entsprechend einem schwarzen Loch. Dieses wächst aber mit zunehmender Energie. Somit gibt es ein absolutes Minimum (eben die Planck-Länge).

Gruss, Gepe

afridelle · Anmeldungsdatum: 17.02.2011 Beiträge: 20

Gepe · Anmeldungsdatum: 18.06.2011 Beiträge: 2