Ist mein Wissensstand über die Geschwindigkeit von Photonen richtig (siehe Details)?
Es geht darum, dass ich davon ausgehe, dass Photonen nie langsamer als c werden können, auch wenn sie in unterschieldlichen Medien (wei beispielsweise Wasser) deutlich langsamer als mit c voran kommen.
Dass sie nie langsamer als c werden können, und in einem Medium doch langsamer als mit c vorankommen können, liegt meines Wissens daran, dass sie in dem Medium mit den Atomen des Mediums immer wieder interagieren, die Richtung wechseln und daher einen deutlich längeren Weg in Strahlungsrichtung zurücklegen müssen.
Daher braucht ein Photon, das in der Sonne durch Fusion entstand tatsächlich Jahrhunderte, bis es die Sonnen verlässt, und danach dann im Vakuum nur noch 8 Minuten bis zur Erde braucht.
Ist das so richtig, oder werden Photonen in einem Medium tatsächlich langsamer als c, und damit meine ich die eigentliche Eigenbewegung des Photons, unabhängig seiner Bewegungsrichtung.
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3 Antworten
Das stellst Du Dir zu bildlich vor. Dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c mit einer tiefergestellten Null) höher ist als in Materie (einfach nur c), liegt daran, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen umgekehrt proportional zur Wurzel des Produktes der elektrischen und der magnetischen Feldkonstante ist. Elektromagnetische Wellen sind per se einfach langsamer, wenn diese Feldkonstanten sich ändern. Das folgt aus den Maxwellschen Gleichungen und nicht aus der Quantenmechanik.
Photonen sind lediglich die Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung. Sie haben nur eine Bedeutung, wenn ein Austausch stattfindet. Sich vorzustellen dass sie als Teilchen herumfliegen und um Atome kurven fliegen, führt völlig in die Irre. Elektromagnetische Wellen legen keinen längeren Weg zurück, sondern sind in einem Medium mit anderen Feldkonstanten einfach per se langsamer.
Schon simple Effekte wie Interferenz kannst Du nicht erklären wenn Du Dir vorstellst, dass da Photonen durch die Gegend fliegen. Vielleicht als Faustregel: Immer als Wellen vorstellen und nur bei einem quantenmechanischen Austausch als Photonen.
Ich habe keine Ahnung, was „jedermann“ versteht. Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie wie Quantenelektrodynamik (um die geht es hier) wahrscheinlich eher nicht. Die Maxwellschen Gleichungen hingegen sind deutlich einfacher und auch intuitiver. Aber „jedermann“ versteht ja noch nicht einmal Grundrechenarten und Potenzgesetze geschweige denn Vektoranalysis wie Rotation, Divergenz oder Gradient.
Ich weiß noch nicht einmal, ob wir unter „verstehen“ das Gleiche meinen. Für mich als Physiker bedeutet das eigentlich, etwas - zumindest im Prinzip - ausrechnen zu können. Wenn ich mit einer Formel nicht hantieren kann, habe ich den Effekt auch nicht verstanden.
“Verstehen“ ist nicht „Vorstellen“. Vorstellen ist einfach und kann auch beliebig falsch sein. Jedermann hat irgendeine Vorstellung was Licht sei.
99,9% der makroskopischen Effekte von Licht und anderen elektromagnetischen Wellen verstehst Du, wenn Du die Maxwellschen Gleichungen verstehst. Ohne Photonen. Und die verstehst Du eben erst richtig, wenn Du Quantenelektrodynamik verstehst. Und das wird nichts ohne Physikstudium. Richard P. Feynman - einer der Entdecker der Quantenelektrodynamik - hat es aber in einem eher populärwissenschaftlichen Buch versucht. Das wird Dich interessieren und vielleicht verstehst Du das dann auch besser: https://www.amazon.de/QED-seltsame-Theorie-Lichts-Materie/dp/3492313167/ref=sr_1_1?crid=3JJOFYG3NZ7EI&keywords=qed+die+seltsame+theorie+des+lichts+und+der+materie&qid=1707364595&sprefix=Qed%2Caps%2C343&sr=8-1
Es geht darum, dass ich davon ausgehe, dass Photonen nie langsamer als c werden können, auch wenn sie in unterschieldlichen Medien (wei beispielsweise Wasser) deutlich langsamer als mit c voran kommen.
Nein, sie bewegen sich immer mit c! Nur: Die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist die höchste, da die stoffbezogenen Konstanten der elektrischen Permittivität und der magnetische Permeabilität hier Eins sind, also keinen Beitrag mehr leisten.
Dass sie nie langsamer als c werden können, und in einem Medium doch langsamer als mit c vorankommen können, liegt meines Wissens daran, dass sie in dem Medium mit den Atomen des Mediums immer wieder interagieren, die Richtung wechseln und daher einen deutlich längeren Weg in Strahlungsrichtung zurücklegen müssen.
Nein, hier ist zu unterscheiden:
- Bewegt sich das Photon durch ein Medium, so entstehen Wechselwirkungen mit den dort vorhandenen magnetischen Momenten (Spin usw.) und den elektrischen Feldern (Elektronen, Protonen, …). Daher rühren auch o. g. Konstanten. Hier geht es um die Ausbreitung als EM-Welle.
- Trifft das Photon bspw. direkt auf ein Atom/ein Molekül, so kann es abhängig der eigenen Frequenz ein Elektron der Hülle anregen, welches aber nach sehr kurzer Zeit wieder auf sein Ausgangsniveau zurückfällt und dabei ein neues Photon emittiert. Dabei ändert sich frequenzabhängig auch die Richtung. (So entsteht Himmelsblau.) Hier geht es um die Ausbreitung als Teilchen.
Daher braucht ein Photon, das in der Sonne durch Fusion entstand tatsächlich Jahrhunderte, bis es die Sonnen verlässt, und danach dann im Vakuum nur noch 8 Minuten bis zur Erde braucht.
Jein. Beide Effekte sind wichtig! Ein sonnenheißes Plasma ist von gewaltigen Magnetfeldern durchsetzt, die mit dem Photon wechselwirken, s. 1! Und natürlich ist so ein dichtes Plasma dicht mit Teilchen durchsetzt, mit denen das Photon auch interagiert, s. 2! (Allerdings ist das nicht mehr so leicht darzustellen, wie in einem Molekül.)
Ist das so richtig, oder werden Photonen in einem Medium tatsächlich langsamer als c, und damit meine ich die eigentliche Eigenbewegung des Photons, unabhängig seiner Bewegungsrichtung.
"Langsamer als c" sollte besser heißen: Gibt es Medien, in denen die Lichtgeschwindigkeit kleiner als die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist. Das hängt an der Wellenausbreitung, s. 1! Nur bei Wechselwirkung, es wird auch vom "Stoß", mit einem Teilchen, ändert ein Photon die Richtung.
Fun fact: Tscherenkow-Strahlung in Wasserreaktoren entsteht, weil die ausgesendeten Teilchen/Strahlen, schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Wasser sind. Aber nie schneller als Vakuumlichtgeschwindigkeit.
Soweit ich weiß, werden Photonen innerhalb von Materie absorbiert, oder eben vom direkten Weg abgelenkt, wodurch sie mehr Strecke zurücklegen und deswegen langsamer erscheinen.
Das mit der Absorbtion bereitet mir noch bisschen Kopfzerbrechen...: Absorbieren heißt doch, dass das Teil aufgenommen wird. Das würde also bedeuten, dass es nach jeder Absorbtion eigentlich ein ANDERES Photon ist, das den Weg dann fortsetzt, oder? Diese Frage stellte sich mir auch schon bei der Reflexion von Licht.
Ja, das sind andere Photonen. Jeder Austausch von elektromagnetischer Wechselwirkung mit Materie erzeugt neue Photonen. Sind halt die Austauschteilchen der Wechselwirkung und nicht die Wechselwirkung selber.
Ich spüre was Du meinst, bin von verstehen aber noch weit entfernt... ;)
Aber ich halte das mal als Spur für mich in die richtige Richtung fest. Wenn diese Richtung richtig ist, lässt sich das sicher auch so erklären, dass jedermann (und damit auch ich) es einfacher verstehen kann. :)