Kann man Licht in einer Kugel einfangen (theoretisch)?
Hallo,
ich habe mal wieder ein kurioses Gedankenkonstrukt für euch: Stellt euch eine hohle Kugel vor, die innen vollständig verspiegelt ist (von Außen kann man hineinsehen - eine Seite spiegelt - innen, die andere Seite ist durchsichtig - außen).
Wenn ich nun mit einer Taschenlampe hineinleuchte spiegelt sich ja das Licht der Taschenlampe in der Kugel wieder und wird reflektiert. Ähnlich wie in einem Spiegelsaal mit einer Kerze die von mehreren Spiegeln reflektiert wird.
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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"?
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Wenn ich die Taschenlampe ausmache, ist dann ein Teil der Strahlung die das "Licht" ausgemacht haben in der Kugel gefangen?
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Nimmt das Licht (ich nenne 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)?
Ich weiß, ist mal wieder so ein abstruses Konstrukt - aber in einem komischem Kopf schwirren halt oft auch wirre Gedanken. =)
7 Antworten
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
Physik ist ein weites Feld. Meine Spezialgebiete sind Thermodynamik, klassische Mechanik, Strömungsmechanik sowie Wärme- und Stoffübertragung.
Von Teilchenphysik verstehe ich nicht mehr als andere halbgebildete Laien. Aus dem Grunde habe ich meinem Beitrag auch vorangestellt, zu spekulieren.
Im Lichte deines Kommentars ein Frage: neulich sah ich eine Dokumentation über Hochleistungsteleskope und da meinte ein Fachmann "Wir versuchen einzelne Photonen einzufangen und nachzuweisen." Wie ist das einzuordnen?
Ist möglich. Soweit ich weiß reicht unter bestimmten Umstängen (?!) auch ein einzelnes Photon aus, um einen Photorezeptor auf der Netzhaut zu aktivieren. Genaueres weiß ich allerdings nicht.
Strömungsmechanik
Schön! :-)
In dem Bereich habe ich sogar mal Forschung betrieben. :-)
Hier steht was dazu.
Der Artikel erklärt leider nicht, wie der Spiegel funktioniert.
Außerdem: Natürlich bleibt es nicht hell, in dieser Kugel aus dem Gedankenexperiment. Denn das würde ja bedeuten, dass die Energie des Lichts umgewandelt wird. Die Frage ist also nicht "Ist es in der Kugel hell?", sondern "Sind die Photonen noch in der Kugel?"
Den Satz am Ende des Artikels verstehe ich deshalb als "reißerische Idee" und nicht als eine wissenschaftlich sinnvolle Überlegung.
Ein idealer Spiegel ist auch (noch) nicht realisierbar.
Aber die physikalischen Grundlagen dafür existieren. (Laut Artikel.)
Es geht ja auch nur um ein Gedankenexperiment. Heißt das, theoretisch könnte man Licht mit einem idealen Spiegel einfangen?
Für deine letzte Frage lies dir mal den Energieerhaltungssatz durch.
Und? An der ideal spiegelnden Oberfläche wird doch keine Energie abgegeben. Warum spricht der Energieerhaltungssatz dann gegen die Idee?
Darum geht es doch. Es kann keine Energie abgegeben oder hinzugefügt werden.
Wenn es drinnen bleibt, "leuchtet" die Kugel aber auch nicht. Das Licht, das in der Kugel bleibt, kann man nicht sehen. Sehen kann man nur Licht, das die eigene Netzhaut trifft.
Ja, das ist auch wieder etwas das ich nicht verstehe.
Wenn also in der Kugel das Licht noch wäre, könnte ich es nicht sehen da es nicht mehr da wäre wenn ich es sehen könnte (weil es sonst nicht mehr in der Kugel sondern meine Netzhaut getroffen hätte).
Wenn es aber Innen ist und sich selbst reflektiert ohne Verluste, dann müsste es doch (wenn die Halbwertszeit der Strahlung nicht wäre) auch für mich, da ich von Außen reinschauen kann - ohne die Strahlung zu umzuwandeln, sichtbar sein?
Die Satzbildungen die ich hier mache, sind schon schlimmer als der eigentliche Fragengedanke. oO
Wenn es aber Innen ist und sich selbst reflektiert ohne Verluste, dann müsste es doch (wenn die Halbwertszeit der Strahlung nicht wäre) auch für mich, da ich von Außen reinschauen kann - ohne die Strahlung zu umzuwandeln, sichtbar sein?
Nein.
Durch einen ("perfekten") Reflektor kann man nie "durchschauen", genau aus diesem Grund.
Es gibt Spiegel, durch die man durchschauen kann (z. B. Verhörraum bei der Polizei), das können aber prinzipbedingt keine "perfekten Reflektoren" sein. Durch den "durchsichtigen Spiegel" kann notwendigerweise Licht von einem Raum in den anderen. Wenn man den "durchsichtigen Spiegel" durch einen "undurchsichtigen" ersetzen würde, würde es im Verhörrraum heller, weil der "undurchsichtige" mehr Licht reflektieren würde.
Das versteh ich. Wenn es nun doch möglich wäre hineinzusehen, wie würde es dann aussehen?
Schon wieder so ein komischer Satz. Ich mach mir da nochmal Gedanken drüber.
Also ist mein Gedankenkonstrukt gar nicht mehr so theoretisch, oder aber es ist ein Fake aus dem Jahre 1998. Danke!
Der Beitrag wirkt auf mich etwas "reißerisch". ;-)
Daraus könnten verwirrende Fragen entstehen, beispielsweise ob ein Raum mit perfekten Spiegeln, wenn man in ihm eine Kerze entzündet hat, weiterhin hell bleibt, nachdem sie ausgemacht wurde. Auch ein Beitrag zur Energieeinsparung?
Ich habe meine Zweifel, ob die Spiegel tatsächlich so "perfekt" sind. Außerdem, sobald ich die Tür öffne, kann die elektromagnetische Welle ja sofort entweichen. Ich darf mich auch nicht selbst im Raum befinden, schließlich ist mein Körper selbst kein "perfekter Reflektor".
Falls man es tatsächlich irgendwie "schaffen sollte" (mehr, als hypothetisch), dann müsste man die Kerze aber auch sehr schnell wieder löschen, sonst würde es in dem Raum ja letztlich "unendlich hell". ;-)
Ja, das Licht würde man nicht sehen. Ist auch nur eine Theorie die vorallem in der Quantenphysik von großer Bedeutung ist. Unendlich hell kann es natürlich nicht werden, dann müsste ja die Kerze unendlich hell leuchten. Zudem geht es ja auch darum, dass man die Lichtquelle ausschaltet.
Aber vielleicht ist das alles doch gar nicht so unvorstellbar.
Kleiner Tipp:
Mach mal den Kühlschrank einen kleinen Spalt weit auf und schau vorsichtig hinein. ;-)
Unendlich hell kann es natürlich nicht werden, dann müsste ja die Kerze unendlich hell leuchten.
Wenn sämtliches Licht zurückreflektiert und durch nichts absorbiert würde, würde die Intensität des Lichts sehr schnell immer höher werden.
Die Kerze hat eine gewisse Leistung und es kann keine Energie aus dem System heraus. Energie ist das Integral der Leistung über die Zeit. Wenn keine Energie verloren ginge, würde sie (angenommen, die Leistung der Kerze sei konstant und die Kerte selbst würde auch nichts absorbieren) linear mit verstrichener Zeit steigen, weil zu dem bisher vorhandenen Licht ja durch die Kerze ständig "neues Licht hinzukommen würde".
Also letztlich würde es "unendlich hell". Natürlich nicht wirklich, weil die Kerze irgendwann ausgebrannt ist, aber abgesehen davon würde die Helligkeit durch nichts beschränkt. Und sie würde auch sehr rasant zunehmen. Ich meine schau Dir mal an, wie lange es "dauert", wenn Du eine Kerze anzündest, bis es hell wird. ;-)
Das geht relativ fix, oder? ;-)
Nun stell Dir vor, diese ganze "Helligkeit" würde erhalten bleiben, aber es käme ständig weitere von der Kerze hinzu. Ich bin mir sicher, Du wärst ziemlich schnell ziemlich blind, wenn es bei der Reflexion von Licht keine Verluste gäbe. ;-)
Daran hatte ich nicht gedacht. Klingt aufjedenfall sehr interessant. Hab ich für heute Nacht was zum nachdenken.
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.
Aber wenn die Sonne weg ist, ist es trotzdem dunkel. Das ist ein anderes Prinzip als das in der Frage gemeinte.
Von den "Cola/Wasserlampen" habe ich schon gehört, allerdings ist das nicht wirklich was ich mit meiner Frage meinte. Trotzdem danke.
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".
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.
Wenn ich es richtig verstanden habe, dann ist es praktisch so - dass es Stoffe gibt die quasi mehr Energie abgeben als man ihnen zuführt
Ja, solche Stoffe gibt es, z. B. Brennstoffe. Du musst sie nur einmal entzünden und dann werden sie sehr heiß (und können auch leuchten).
Was es nicht gibt, sind Stoffe, die das "dauerhaft" können. Die Energie kommt dabei aus der Konfiguration des Stoffes selbst und wenn sie dort nicht mehr ist, dann "war's das". (Asche brennt nicht mehr.)
Was es gibt, sind Stoffe, in denen eine elektromagnetische Welle, die durch sie läuft, verstärkt wird. Die Energie, die für diese Verstärkung notwendig ist, muss natürlich von außen zugeführt werden, z. B. durch elektromagnetische Strahlung einer anderen Wellenlänge (z. B. Röntgenstrahlung). Durch das "Pumpen" (die Einkopplung der äußeren Strahlung) werden die Elektronen im "aktiven" (verstärkenden) Medium auf ein höheres Energieniveau gehoben ("werden schneller" sozusagen). Wenn sie dann von der elektromagnetischen Welle des Lasers "getroffen" werden, können sie mehr Energie abgeben, als die Welle selbst enthält, fallen dabei aber wieder auf ihr energieärmeres Niveau zurück ("werden wieder langsamer").
Man kann aber natürlich "weiter pumpen" und das ganze so wiederholen. Die Leistung des Strahls lässt sich dadurch natürlich nicht "ins Unendliche steigern", kann aber beträchtlich werden.
"Überdies muß das Signal alle 20 Kilometer verstärkt werden, während
"Omniguides" nur mit minimalen Verlusten Licht über Tausende von
Kilometern ohne Verstärker transportieren könnten und nicht auf
bestimmte Frequenzen beschränkt wären."
Ideal ist es noch lange nicht, nur schon sehr gut.
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
Ist ja nur ein theoretisch Gedankenkonstrukt dass so auf keinen Fall realisierbar ist - aber ich komm einfach nicht drauf was denn passieren würde.
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.