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Sepsis
Anmeldungsdatum: 21.09.2015
Beiträge: 4
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 Sepsis Verfasst am: 21. Sep 2015 10:50 Titel: Wie bewegt sich Licht? |
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Hallo, ich hätte mal eine Frage zum Thema Licht.. und zwar, wie es sich ausbreitet.
Meine Frage:
Wie breitet sich Licht aus?
Also angenommen ich habe eine Kerze in einem Raum stehen, dann breitet sich das Licht von der Flamme sphärenförmig in alle Richtungen aus, richtig? (vereinfacht dargestellt)
Aber wie ist das z.B. mit einer Taschenlampen, oder ein Atom, welches ein einzelnes Photon emittiert?
Meine Idee:
An sich sollte es ja auch sphärenartig geschehen, aber gleichzeitig fliegt das Photon ja in eine bestimmte Richtung. Ich kann mir das noch nicht so ganz zufriedenstellend vorstellen.
Ist es so, dass diese Lichtsphäre in eine Richtung mit Lichtgeschwindigkeit saust, während sie sich in alle Richtungen mit Lichtgeschwindigkeit gleichzeitig ausbreitet?
Wo ist mein Denkfehler?
LG
Sepsis |
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isi1
Anmeldungsdatum: 03.09.2006
Beiträge: 2902
Wohnort: München
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| isi1 Verfasst am: 26. Sep 2015 08:47 Titel: |
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Nein, so kann man das nicht sagen, Sepsis,
denn wenn man nicht kleine Dimensionen betrachtet, beschreibt das Teilchenmodell (Photonen) die Wirklichkeit viel besser. Es breitet sich also strahlenförmig und nicht shärenförmig aus.
Präziser formuliert TomS: | TomS hat Folgendes geschrieben: | | Quanten erscheinen manchmal als Wellenphänomene (z.B. Interferenz), manchmal als Teilchen (Comptoneffekt). Meistens werden sie jedoch völlig anders beschrieben und entziehen sich den klassischen Begriffen. Was sie "sind" kann heute niemand verlässlich sagen. Es ist daher besser, man akzeptiert diese Fremdartigkeit und näher sich den Phänomenen ohne vorbelastete Begriffe, als dass man durch die Verwendung dieser Begriffe Verständnis suggeriert. |
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Grüße aus München, isi •≡≈ ¹₁₂½√∠∞±∫αβγδεηκλπρσφω ΔΣΦΩ |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18110
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| TomS Verfasst am: 26. Sep 2015 13:33 Titel: |
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| isi1 hat Folgendes geschrieben: | Nein, so kann man das nicht sagen, Sepsis,
denn wenn man nicht kleine Dimensionen betrachtet, beschreibt das Teilchenmodell (Photonen) die Wirklichkeit viel besser. Es breitet sich also strahlenförmig und nicht shärenförmig. |
Beides ist mikroskopisch nicht korrekt.
Eine teilchen- bzw. strahlenförmige Ausbreitung steht zunächst mal im offensichtlichen Widerspruch zu Interferenzexperimenten.
Makroskopisch betrachtet handelt es sich bei Licht tatsächlich um Wellen mit Wellenfronten, z.B. auch sphärischen Wellenfronten. Aus einer wellenartigen Aubreitung folgt in gewissen Grenzfällen die geometrische Optik, und diese ist mit einem Teilchenbild verträglich; allerdings eben nicht allgemeingültig, sondern nur in bestimmten Grenzfällen. Die makroskopische Theorie von Licht folgt aus den Maxwellschen Gleichungen; dabei handelt es sich um Wellengleichungen.
Mikroskopisch ist Licht weder das eine, noch das andere. Mathematisch "sind" Photonen keine Teilchen, sondern Zustände in einem sogenannten Hilbertraum. Dieser kann teilchenartige Eigenschaften tragen (z.B. einen Impuls), aber deswegen hat dies noch lange nichts mit einem klassischen Teilchen zu tun.
Makroskopisch ist alles klar - Wellen. Mikroskopisch ist auch alles klar - wenn man sich der Sprache der QED bedient; anschaulich interpretierbar ist das jedoch nicht.
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Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago. |
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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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| Brillant Verfasst am: 27. Sep 2015 12:28 Titel: |
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Wenn ein Photon beim Doppelspalt-Experiment mit sich selbst interferiert (also durch beide Spalten geht), kann es sich ja nicht in genau einer Richtung ausbreiten.
Doch wie weit (in welchem Winkel) streut es?
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Glaubt nicht dem Hörensagen ... oder eingewurzelten Anschauungen, auch nicht den Worten eines verehrten Meisters; sondern was ihr selbst gründlich geprüft und als euch selbst und anderen zum Wohle dienend erkannt habt, das nehmt an. Siddhartha Gautama |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18110
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| TomS Verfasst am: 27. Sep 2015 12:40 Titel: |
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| Brillant hat Folgendes geschrieben: | | Wenn ein Photon beim Doppelspalt-Experiment mit sich selbst interferiert (also durch beide Spalten geht), kann es sich ja nicht in genau einer Richtung ausbreiten. |
Das habe ich auch nicht behauptet.
| Brillant hat Folgendes geschrieben: | | Doch wie weit (in welchem Winkel) streut es? |
Das kann man mittels QFT für das Photon sowie mittels der klassischen Elektrodynamik for eine klassische Lichtwelle berechnen.
Was genau möchtest du jetzt wissen?
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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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| Brillant Verfasst am: 27. Sep 2015 14:36 Titel: |
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| TomS hat Folgendes geschrieben: | | Was genau möchtest du jetzt wissen? |
Bisher nahm ich an, dass das Licht deshalb mit der Entfernung schwächer wird, weil sich die Photonen auf eine größere Fläche verteilen.
So, als wenn ich mit 5 g Gras-Samen mal eine Fläche von 1 qm und dann mit weiteren 5 g 10 qm bestreue.
Nun sieht es aber so aus, dass auch ein einzelnes Photon an "Kraft" (= Energie?) verliert, weil es sich splittet.
Daraus ergibt sich die Überlegung, dass ein einzelnes Photon schwächer werden muss, auch wenn es nur durch einen Schlitz geht. Denn ein Teil prallt ja auf das Hindernis um den Schlitz.
Ist das so?
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18110
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| TomS Verfasst am: 27. Sep 2015 21:10 Titel: |
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Nein.
Ein Photon bleibt ein Photon.
Die Intensität einer makroskopischen el.-mag. Welle folgt aus der Anzahl der Photonen, wobei jedes einzelne nach wie vor die selbe Energie hat.
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Elementarkügelchen
Anmeldungsdatum: 02.06.2015
Beiträge: 19
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| Elementarkügelchen Verfasst am: 27. Sep 2015 23:41 Titel: |
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| TomS hat Folgendes geschrieben: | Nein.
Ein Photon bleibt ein Photon.
Die Intensität einer makroskopischen el.-mag. Welle folgt aus der Anzahl der Photonen, wobei jedes einzelne nach wie vor die selbe Energie hat. |
Also wenn der Lichtstrahl schwächer wird hat es einfach weniger Photonen? ( Ist das auch der Grund warum die " Farbe" gleich bleibt?)
Im Vakuum ist das ja anscheinend so , oder nicht? Wo gehen die Photonen hin? |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18110
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| TomS Verfasst am: 28. Sep 2015 07:06 Titel: |
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| Elementarkügelchen hat Folgendes geschrieben: | | Also wenn der Lichtstrahl schwächer wird hat es einfach weniger Photonen? ... Wo gehen die Photonen hin? |
Im Falle einer sich kugelförmig ausbreitenden Lichtwelle (Blitzlampe, Stern, ...) verteilen sie sich auf eine immer größer werdende Kugelschale: deren Oberfläche wächst ~ r^2, die Intensität nimmt mit ~ 1/r^2 ab.
Im Falle eine Lasers mit idealisierter Abstrahlung in Vorwärtsricjtung bleibt die Intensität konstant. |
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isi1
Anmeldungsdatum: 03.09.2006
Beiträge: 2902
Wohnort: München
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| isi1 Verfasst am: 28. Sep 2015 09:01 Titel: |
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| TomS hat Folgendes geschrieben: | | Im Falle eine Lasers mit idealisierter Abstrahlung in Vorwärtsricjtung bleibt die Intensität konstant. |
Dafür ändert sich die Farbe, wenn man den Strahl zum Mond schickt. 
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Grüße aus München, isi •≡≈ ¹₁₂½√∠∞±∫αβγδεηκλπρσφω ΔΣΦΩ |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18110
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| TomS Verfasst am: 28. Sep 2015 09:17 Titel: |
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ah, echt? wie stark? kannst das mal vorrechnen?
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isi1
Anmeldungsdatum: 03.09.2006
Beiträge: 2902
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| isi1 Verfasst am: 28. Sep 2015 09:31 Titel: |
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| TomS hat Folgendes geschrieben: | | ah, echt? wie stark? kannst das mal vorrechnen? |
Ich meinte das eher als Scherz, obwohl ja unser so berühmter Einstein diese Frequenzverschiebung schon 1911 vorhersagte:
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Grüße aus München, isi •≡≈ ¹₁₂½√∠∞±∫αβγδεηκλπρσφω ΔΣΦΩ |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18110
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| TomS Verfasst am: 28. Sep 2015 09:34 Titel: |
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so einfach ist das bei Erde - Mond jedoch nicht zu berechnen ...
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isi1
Anmeldungsdatum: 03.09.2006
Beiträge: 2902
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| isi1 Verfasst am: 28. Sep 2015 09:45 Titel: |
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| TomS hat Folgendes geschrieben: | | so einfach ist das bei Erde - Mond jedoch nicht zu berechnen ... |
Na gut, das Gravitationspotential des Monds habe ich nur grob geschätzt. Wieviel ist es denn genau, Tom?
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18110
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| TomS Verfasst am: 28. Sep 2015 11:11 Titel: |
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Das ist in der ART i.A. schwierig, da nichtlinear, d.h. Gravitationspotentiale sind nicht additiv.
Die Formel für die Rotverschiebung z im stationären Fall der Schwarzschildmetrik lautet zunächst
}{g^{00}(r_1)} })
wobei die 00-Komponente des metrischen Tensors g ausgewertet bei den Radien 1 für Sender und 2 für Empfänger eingeht.
Für die Schwarzschildmetrik gilt
 = 1 - \frac{R_M}{r} = 1 - \frac{2GM}{rc^2} = 1 + \frac{2\Phi_M(r)}{c^2})
wobei R für den Schwarzschildradius der jeweiligen Masse M und Phi für das newtonsche Gravitationspotential steht.
 = -\frac{GM}{r} )
Nun nähern wir das System Erde - Mond doch durch die Addition zweier einzelner Newtonscher Gravitationspotentiale an. Wie gesagt, streng genommen ist das nicht gestattet, aber für schwache Gravitationsfelder ist das sinnvoll. D.h. in der letzten Formel ersetzen wir
 \to \Phi_{M_E, M_M}(r) = -G\left[\frac{M_E}{|r|}+\frac{GM_M}{|r-D|}\right])
D steht für den Abstand Erde - Mond.
Dieses Gravitationspotential müssen wir jetzt wieder in die Formel für die Rotverschiebung einsetzen, d.h. zunächst
 = 1 + \frac{2\Phi_{M_E, M_M}(r)}{c^2})
Diese Funktion ist wieder an zwei Stellen auszuwerten. Betrachten wir die Emittierung ein es Lichtsignals auf der Erdoberfläche bei r_1 sowie die Registrierung auf der Mondoberfläche bei r_2, dann gilt
wobei R_E bzw. R_M für die Radien von Erde und Mond stehen. Daraus folgt schließlich
 = -G\left[\frac{M_E}{R_E}+\frac{M_M}{D-R_E}\right])
 = -G\left[\frac{M_E}{D-R_M}+\frac{M_M}{R_M}\right])
So, das jetzt wieder in die Formel für das Frequenzverhältnis einsetzen und weiter rechnen ...
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isi1
Anmeldungsdatum: 03.09.2006
Beiträge: 2902
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| isi1 Verfasst am: 28. Sep 2015 16:56 Titel: |
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Ja, Tom, ganz aschön aufwendig, vielen Dank für die Mühe.
Wenn ich mal zur Vereinfachung davon ausgehe, dass der Mond ein hundertstel der Erde wiegt und nur viertel so groß und D mindestens 58 mal so groß, kann ich Deine Formeln vereinfachen und erhalte allerdings - wegen der Wurzel - nur halb soviel wie ich oben abgeschätzt hatte
Die Laserfrequenz ändert sich also so etwa um 300 MHz - ist trotzdem verflucht wenig.
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18110
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| TomS Verfasst am: 28. Sep 2015 18:22 Titel: |
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Ich komme auf 10^10, aber die Größenordnung passt
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