Kann man Licht in einer Kugel einfangen (theoretisch)?

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7 Antworten

von Außen kann man hineinsehen

"Man kann hineinsehen" bedeutet, "Licht kann heraus". Wenn das nicht der Fall ist, kann man auch nicht "hineinsehen". Das Sehen ist ein passiver Vorgang. Damit Du einen Gegenstand sehen kannst, muss dieser Licht auf Deine Netzhaut schicken können.

vollständig verspiegelt

Ist ein Widerspruch dazu. Wäre die Innenseite ein "perfekter Spiegel", der Licht zu 100 % reflektiert, könnte die elektromagnetische Welle nicht "heraus". Sobald Du etwas sehen kannst, ist Energie entwichen, weil Du nur diese siehst. Du siehst elektromagnetische Wechselfelder, deren Wellenlängen im Bereich 380 bis 780 nm liegen. (Das entspricht etwa Frequenzen zwischen 384 und 789 THz, wobei die Frequenz umso höher ist, je geringer die Wellenlänge ist.)

Nun zu Deinen Fragen.

Was passiert wenn ich die Taschenlampe ausschalte? Verschwindet dann
auch das Licht in der Kugel weil die "Lichtwelle" ja weg ist (davon
ausgehend dass innen wirklich alles ohne Verlust gespiegelt wird), oder
bleibt das Licht innen erhalten und man erhält eine "Leuchtkugel"?

Das Licht "verschwindet" und zwar gleich aus zweierlei Gründen.

Zunächst gibt es keinen "perfekten Reflektor", sondern es wird immer ein wenig Licht von einem Spiegel absorbiert. Der Spiegel wird dabei unmerklich erwärmt. (Ist die Leistung der Strahlungsquelle groß genug, kann der Spiegel dadurch auch beträchtlich erwärmt werden.)

Außerdem, wie gesagt, Du willst das Licht ja sehen können, das heißt der Spiegel darf nur "teildurchlässig" sein, sonst lässt er ja nichts heraus. Die Energie, die durch den Spiegel "ausgekoppelt wird" und entweicht, befindet sich ja anschließend nicht mehr im Inneren der Kugel.

Dadurch, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht (oder allgemein elektromagnetischen Wellen) sehr hoch ist (im Vakuum etwa 300 Millionen Meter pro Sekunde, in Glas etwa 200 Millionen Meter pro Sekunde, in Luft "irgendwo dazwischen", aber wohl näher an der Geschwindigkeit im Vakuum, als an der im Glas), wird die Welle bereits innerhalb kürzester Zeit unzählige Male reflektiert werden und so sehr schnell "abklingen". Sehr viel schneller, als ein menschliches Auge das sehen könnte (die Netzhaut reagiert relativ träge) und auch schneller, als die meisten Hochgeschwindigkeitskameras das registrieren könnten.

Wenn ich die Taschenlampe ausmache, ist dann ein Teil der Strahlung die das "Licht" ausgemacht haben in der Kugel gefangen?

Prinzipiell ja, allerdings geht dieser Teil mit verstreichender Zeit exponentiell gegen null. Die Zeitkonstante ("Halbwertzeit") ist dabei so verschwindend gering, dass Du keine Möglichkeit haben wirst, festzustellen, dass die Kugel "nachleuchtet".

Nimmt das Licht (ich nenn das mal so - vielleicht auch Helligkeit oder
Lichtstärke) zu wenn es sich ohne Verlust immer wieder selbst spiegelt?
Und wenn ja, wäre das "Licht" dann stärker, gleich oder schwächer als
meine Taschenlampe (als Quelle)?

Das Licht in einem Medium kann durchaus stärker sein, als die Energie, die dem Medium zugeführt wird. Das macht man sich bei Lasern zunutze, Stichwort "optisches Pumpen". Hier wird Strahlung in ein aktives Medium (Lasermedium) eingebracht, in dem sich eine stehende elektromagnetische Welle ausbildet, die an der Grenzschicht des Mediums hin und her reflektiert wird. Nun kann man weitere Strahlung von außen einbringen und die Intensität des Laserstrahls so steigern. Das ist ein Grund, warum Laser so gefährlich sind.

Ein anderer Grund liegt darin, dass die Strahlung kohärent ist, sich also auf einen sehr sehr engen Bereich im elektromagnetischen Spektrum konzentriert. Letzteres ist der Grund, weshalb ein Laser winzigster Leistung (z. B. 1 mW = Laserklasse 2) bereits gefährlich für das Auge sein kann, während man eine 100 W Lampe mit der 100'000-fachen Leistung gefahrlos als Beleuchtung verwenden kann. Die Energie verteilt sich auf einen großen Spektralbereich. Die Absorption (z. B. durch biologisches Material) geschieht aber in Form relativ enger Spektrallinien. Ein Großteil der Energie einer nicht-kohärenten Lichtquelle hat daher kaum einen Effekt. Nur ein kleiner Teil ist "wirksam".

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Kommentar von DaMenzel
05.02.2016, 18:28

Danke für die ausführliche Antwort.

Wenn ich es richtig verstanden habe, dann ist es praktisch so - dass es Stoffe gibt die quasi mehr Energie abgeben als man ihnen zuführt (stelle mir das gerade wie eine Lawine vor auf die ich vorher einen Schneeball geworfen habe).

Den ersten Teil mit dem Spiegel habe ich zwar verstanden, allerdings hat "Schimmelmund" unten einen Beitrag verlinkt nach dem es (so wie ich es interpretiere) den perfekten "Spiegel" wohl doch gibt.

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Also mal rein theoretisch v.a. aus Sicht der Thermodynamik rumspekuliert….

"Idealer Spiegel" bedeutet: kein einziges Photon darf durchdringen, denn damit würde das System Hohlkugel Energie verlieren. Es muss also ein Material sein, das keine "Löcher" hat, durch die ein Photon durchfliegen kann. Das hat aber zur Folge, dass auch von der anderen Seite kein Photon durchkommt. Es kann also kein Licht von außen durchdringen und dann im Inneren gefangen gehalten werden. Entweder kommen Photonen durch oder eben nicht.

Es müsste also schon eine Lichtquelle im Inneren der Kugel sein. Nehmen wir an, der Spiegel würde die Photonen ohne Energieverlust in einem ideal elastischen Stoß reflektieren. Dann würde die Lichtquelle ständig neue Energie in Form von zusätzlichem Licht zuführen. Die Lichtenergie würde also kontinuierlich zunehmen, es müsste ständig heller werden.

Aaber…irgendwann sind so viele Photonen unterwegs, dass sie unvermeidlich ständig aufeinanderprallen würden. Dabei würde ein Energieaustausch stattfinden und sich dadurch die Wellenlängen des Lichtes ändern. Die Frage ist nun, ob der ideale Spiegel wirklich für alle Wellenlängen ideal ist…aber nehmen wir es mal an. Und dann haben wir ein prinzipielles Problem: die Lichtquelle im Inneren. Gegen diese werden ebenfalls Photonen prallen und eben nicht mehr ideal reflektiert werden. Die Lichtenergie wird weniger und die Lichtquelle wird erwärmt.

Daher könnte man erwarten, dass zu Beginn des Versuchs das Licht immer heller wird, bis sich ein stationärer Zustand zwischen Energieerzeugung und Energiedissipation, beides an der Lichtquelle, eingestellt hat.

Dann wird sich die Lichtquelle womöglich immer mehr erwärmen und irgendwann den Hitzetod sterben. Irgendwann ist die Anfangsenergie der Lichtquelle vollständig in Lichtenergie umgewandelt und dann wirds langsam wieder dunkler, den unverspiegelte Reste der Lichtquelle bleiben im System.

Nun könnte man einwenden, man kann ja weiter Energie von außen zuführen und das ganze kühlen, aber dann brauche ich nicht so eine Konstruktion, dann kann ich gleich eine Glühbirne nehmen.

So absurd ist deine Gedankenspielerei übrigens gar nicht. Die Idee kam schon im Mittelalter auf und wurde in einem Großversuch in Schilda auch ausprobiert, allerdings ohne direkten Erfolg. Stattdessen haben sie auf deine Idee zurückgegriffen, von Außen mit der Taschernlampe hineinzuleuchten. Guggsdu hier:
http://www.internet-maerchen.de/maerchen/schild02.htm

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Kommentar von NoHumanBeing
05.02.2016, 23:57

Aaber…irgendwann sind so viele Photonen unterwegs, dass sie unvermeidlich ständig aufeinanderprallen würden.

Ääähm ... Photonen sind Eichbosonen. Sie vermitteln die Wechselwirkung zwischen Teilchen und dem elektromagnetischen Feld. Mehr nicht.

Diese Wechselwirkung ist quantisiert. Das heißt aber nicht, dass von einer Lichtquelle einzelne, lokalisierbare "Photonen" gewissermaßen "geradlinig wegfliegen". Die Korpuskeltheorie vom Licht ist schon lange widerlegt.

Photonen sind keine klassischen Teilchen. Photonen "vermitteln" als Austauschteilchen zwischen Materie und dem elektromagnetischen Feld, deren elementaren Anregungen sie sind, d. h. der Energieaustausch zwischen Materie und dem elektromagnetischen Feld ist quantisiert.

Da sich diese Anregungen innerhalb des elektromagnetischen Felds jedoch nicht in Form von diskreten Teilchen, sondern in Form von kontinuierlichen Wellen fortpflanzen, können sie sich natürlich gegenseitig durchdringen und auch miteinander interferieren, was durch das Doppelspaltexperiment auch experimentell bestens bestätigt ist. Nebenbei zeigen sie auch alle Effekte wie Beugung, Interferenz, Polarisation, die man von Wellen kennt.

Sich ein Photon als tatsächliches Teilchen vorzustellen, ist somit nicht zielführend. Man hat Photonen gewissermaßen "notgedrungen" Teilchencharakter zugesprochen, damit man sie im Rahmen der Quantenmechanik beschreiben kann". Etwas ähnliches versucht man mit der Gravitationswechselwirkung durch das "Graviton" auch zu erreichen, allerdings widersetzt sich die Gravitationswechselwirkung deutlich stärker dem Versuch, sie "mit Gewalt" in einen bestimmten Formalismus zu "pressen", als die elektromagnetische Wechselwirkung, denn etwas anderes ist es letztlich nicht.

Allenfalls kann man sich, wie bereits erwähnt, den Energieaustausch zwischen Materie und dem elektromagnetischen Feld quantisiert vorstellen. Zwischen der Emission und der Absorption der Energie gibt es aber definitiv keinen "Teilchencharakter", sondern nur "Wellencharakter". Das "Ding" wird gewissermaßen nur genau dann zu einem "Teilchen", wenn man es "wirklich darum bittet". ;-)

Zitat von Albert Einstein: "Seit 50 Jahren grüble ich darüber nach was ein Lichtquant sei, und kann es immer noch nicht sagen. Heute glaubt jeder Lump er wüsste es, aber sie irren sich."

;-)

Aber als "Community-Experte für Physik" weißt Du das sicher alles bereits.

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Eine sehr gute Frage, die ich mir auch schon gestellt habe. Ich habe keine wirklich gute Antwort. Die Kugel müsste ja nicht einseitig verspiegelt sein. Es könnte auch eine kleine Öffnung für die Lichtquelle geben.

Aber eine ganz grundsätzliche Sache: Der Weg des Lichts ist umkehrbar. Es ist daher NICHT möglich, z.B. eine Glasscheibe nur von einer Seite zu verspiegeln. Die bekannte Anwendung in Verhörräumen bzw. deren Nebenräumen funktioniert nur, wenn es im Nebenraum dunkel ist und im Verhörraum hell. Welche Seite der Glasscheibe in welche Richtung zeigt ist also irrelevant.


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Kommentar von DaMenzel
05.02.2016, 18:07

Ok, das wusste ich nicht. Das war schon mal sehr hilfreich - aber wenn es nun doch so wäre dass ich das Licht hinein bringe ohne dass es wieder nach Außen gelangt, was dann?

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Ich habe letztens was gelesen über eine kosmische Wolke die aus etwas besteht das das Licht verlangsamt ,bei Tests auf der Erde ließ es sich auf etwa 15km/h abbremsen . Ich weiß das ist nicht deine Antwort aber hilft dir vlt ;)

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Kommentar von DaMenzel
05.02.2016, 18:57

Gibt es zufällig eine Quelle für die "kosmische Wolke"?

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Kommentar von kinglion6200
05.02.2016, 19:04

Es ist eine gaswolke woher sie kommt weiß ich aber nicht ^^

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Ich weiss zwar nichts zur Kugel. Aber soweit ich deine Frage verstehe, ist das was, du meinen könntest, bereits z.b. in Brasiliens Nicht ganz so betuchten vierteln ein Beleuchtungsprinzip durch ins Dach der Hütten eingelassene Plastikflaschen, die das Fensterlose Zuhause dann mit Sonnenlicht durchfluten.

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Kommentar von Comment0815
05.02.2016, 18:11

Aber wenn die Sonne weg ist, ist es trotzdem dunkel. Das ist ein anderes Prinzip als das in der Frage gemeinte.

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Ich wollte erstmal schreiben, dass ich es für unmöglich halte, dass das Licht in der Kugel bleibt, aber jetzt gerade habe ich mich umentschieden und würde das gerne mal ausprobieren

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Kommentar von DaMenzel
05.02.2016, 18:11

Ist ja nur ein theoretisch Gedankenkonstrukt dass so auf keinen Fall realisierbar ist - aber ich komm einfach nicht drauf was denn passieren würde.

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Ne das geht nicht denn weil in der kugel keine Lichtquelle mehr ist

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Kommentar von DaMenzel
05.02.2016, 18:04

Das ist ja mein Problem, das Licht würde ja extern zugeführt - könnte innen aber nicht mehr heraus weil es sich ja selbst reflektiert. Dann kann es doch auch nicht einfach weg sein, also irgendwas muss da ja dann noch sein. Oder nicht?

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