Können Photonen still stehen?
Licht soll sich ja z.B. in Wasser langsamer wie c bewegen, aber können sie theoretisch auch still stehen und haben sie dann noch Energie?
4 Antworten
Hallo Maldmeister74,
am besten versteht man das im Wellenbild, wenn man also Licht als eine sich ausbreitende elektromagnetische Welle betrachtet. Wenn diese elektromagnetische Welle - die ja so was ist, wie ein schwankendes elektromagnetisches Feld - durch das Material läuft, regt sie die Elektronen in den Atomhüllen zum Schwingen an, Diese Oszillation der geladenen Elektronen ist aber auch so was wie ein schwankendes elekotromagnetisches Feld, das sich der Lichtwelle dann aufaddiert.
Im Material läuft also nicht mehr die Lichtwelle allein, sondern eine aufsummierte Welle aus einerseits der Lichtwelle, andererseits der Welle der angeregten Elektronen. Und die hat eine andere Gesamtgeschwindigkeit als die Lichtwelle allein.
Dieses Bild erklärt auch, warum die Lichtgeschwindigkeit im Medium so materialabhängig ist. Und es erklärt auch, warum Licht sich hinter dem Material wieder mit c ausbreitet.
Hier ist es erklärt, leider auf Englisch:
Dort ist auch erklärt, warum vereinfachende Erklärungen im Teilchenbild - etwa dass die Photonen gebeugt, gestreut, im Extremfall sogar absorbiert und reemittiert werden - falsch sind, weil sie zu falschen Vorhersagen über die Ausbreitung von Licht durch Materialien führen.
Grüße
Habe zufällig das gleiche Video gesehen :D Der Kanal ist mir leider bis vor kurzem gänzlich entgangen :/ Dass Fermilab einen Youtube-Auftritt hat, kam mir nicht in den Sinn ^^
Licht ist immer so schnell wie das Licht, aber in einem Medium kann die Geschwindigkeit scheinbar langsamer werden da die Photonen mit den Molekülen wechselwirken. Dabei werden sie aber nicht langsamer sondern sind nur verzögert unterwegs.
Gemäß der speziellen Relativitätstheorie hat ein Teilchen die Energie
E^2 = m^2*c^4 + p^2*c^2.
m steht hier für die Ruhemasse und p für den Impuls. Photonen haben nun einen Impuls und dieser beträgt E/c. Setzt man dies oben ein folgt:
E^2 = m^2*c^4 + E^2 <=> m^2*c^4 = 0 => m_photon = 0
Das Photon hat also keine Ruhemasse. Was hat das mit Lichtgeschwindigkeit zu tun? Es gibt nun verschiedene Inertialsysteme, zwischen denen man wechseln kann (man kann etwas von der Straße aus beobachten oder auch von einem fahrenden Auto; die Physik bleibt dieselbe).
Begeben wir uns nun in ein Bezugssystem, welches sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Photon bewegt, also mit c, dann hätte das Photon in diesem System keinen Impuls mehr. Also folgt:
E^2 = 0^2*c^4 + 0^2*c^2 = 0 => E=0.
Das Photon hatte als im ruhenden Zustand überhaupt keine Energie mehr und kann deswegen nicht beobachtet werden bzw. existiert vielmehr überhaupt nicht. Ein Photon muss(!) sich also stets mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, weil es sonst aufhören würde zu existieren.
Man kann es auch noch anders ausdrücken. Durch die Zeitdilatation vergeht für das Photon keine Zeit. Aus Sicht des Photons erreicht es sofort das Ziel. Es hätte also gar keine Zeit anzuhalten.
c ist die eine Naturkonstante. Die nimmt (so weit wir wissen) niemals ab. Selbst im Medium beträgt c immer noch c.
Photonen sind immer mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs.
In bodennaher Luft ist die Lichtgeschwindigkeit etwa 0,28 ‰ geringer als im Vakuum (also ca. 299.710 km/s), in Wasser beträgt sie etwa 225.000 km/s (−25 %) und in Gläsern mit hohem Brechungsindex bis hinab zu 160.000 km/s (−47 %).
Naja, eben wegen e=m*c². Wenn die Geschw. abnimmt, verliert es an Energie.