Frage von seniorix, 58

Welche Auswirkungen hat das Weltall mit seinem fast Vakuum auf einen "unendlichen" Laserstrahl?

Bei dieser Frage möchte ich wissen, ob sich der Laserstrahl schneller/ langsamer bewegt. Ob die Gravitationskräfte sich stärker/ schächer bemerkbar machen und ob es möglich ist, andere Galaxien zu erreichen oder ob der Strahl sich "auflöst" oder was mit ihm in der "Unendlichkeit" passieren kann. Also mehr eine physikalische Frage. Auslöser für diese Frage ist diese Ausssage: Eine unbemannte Sonde mit einer Masse von nur wenigen Gramm könnte mithilfe von Laserstrahlen auf ein Fünftel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Es wäre nach 20 Jahren beim nächstgelegenen Sternsystem Alpha Centauri. aus: http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/stephen-hawking-und-juri-milner-wolle...

Expertenantwort
von PWolff, Community-Experte für Physik, 33

Der wichtigste Effekt dürfte die Aufweitung des Strahls aufgrund der allgemeinen Gleichungen für Wellenausbreitung sein.

Die "Einhüllende" des Strahls ist ein Rotationsparaboloid, weit draußen also praktisch ein (Doppel)kegel. Um den Strahl zu "bändigen", muss man ihn immer wieder "fokussieren". Einen genügend großen Hohlspiegel um den Strahl in ein paar Lichtjahren Entfernung noch fokussiert zu haben kann man nicht bauen, von einer Linse ganz zu schweigen.

Er wird wie alles Licht der Gravitation (also letztlich der Raumzeitkrümmung) unterworfen sein, wobei die Gezeitenkräfte ihn zusätzlich aufweiten, bzw. wenn er wesentlich breiter ist als die Gravitationsquelle, von dieser fokussiert werden (allerdings in Achsennähe stärker als weiter draußen).

Im Prinzip kann er - wie auch das Licht von Sternen - andere Galaxien erreichen, aber er wird sich dort so weit aufgeweitet haben, dass man Mühe haben wird, die Kohärenz nachzuweisen.

Mit zunehmender Ausdehnung des Universums wird er auch eine niedrigere Frequenz bekommen, also effektiv langsamer schwingen (es sei denn, die Lichtgeschwindigkeit nimmt entsprechend zu), ebenfalls wie alle Wellen. Davon merkt man aber bei einer intragalaktischen Reise nichts, schon gar nicht bei so ein paar Lichtjährchen.

Die beiden größten Probleme beim genannten Projekt dürften sein 1. die Kohärenz des breiten Laserfeldes, damit überhaupt ein nicht vernachlässigbarer Teil der Leistung noch bei der Sonde ankommt, 2. die richtige Abstimmung der Intensitäts- auf die Massenverteilung. Die Sonde wird immerhin mit durchschnittlich 50.000-facher Erdbeschleunigung beschleunigt, da reichen schon kleinste relative Intensitätsschwankungen, um das Segel zu zerreißen, besonders, da es so leicht ausgelegt ist.

Antwort
von Ysosy, 26

Bei dieser Frage möchte ich wissen, ob sich der Laserstrahl schneller/ langsamer bewegt.

Licht bewegt sich immer mit c.

Ob die Gravitationskräfte sich stärker/ schächer bemerkbar machen

Das ist abhängig von der Gravitation. Und dem Weg den das Licht durch das Gravitationspotenzial beschreitet. Wenn das Licht nahe an einer Masse vorbei fliegt, ist die ablenkung größer als würde es weiter weg an der Masse vorbei fliegen.

ob es möglich ist, andere Galaxien zu erreichen oder ob der Strahl sich "auflöst"

Ja. Quasi Jedes Licht erreicht andere Galaxien. Allerdings wird die Streuung des Lichts mit Zunahme der Entfernung immer größer. Wenn man mit einer Taschenlampe eine Galaxie anleuchtet wird ein Teil des Lichts dort ankommen. Aber nachweisen könnte man die Paar Photonen wohl nicht.

was mit ihm in der "Unendlichkeit" passieren kann.

Licht kann sich nicht unendlich ausbreiten. Licht breitet sich nur im Hubble-Radius / Hubble-Sphäre aus. Das bedeutet: „Alle Objekte innerhalb der Hubble-Sphäre entfernen sich von der Erde mit einer Geschwindigkeit kleiner als c, alle Objekte außerhalb mit Überlichtgeschwindigkeit.“

Kommentar von MonkeyKing ,

Licht in einem Medium bewegt sich langsamer als c. Es ist sogar schon einmal gelungen, die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium auf wenige Zentimeter pro Sekunde herabzusenken. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine Naturkonstante.

Kommentar von Ysosy ,

Auch wenn diese Versuche sehr spannend sind, ist es nicht gerechtfertigt zu sagen, die Photonen würden abgebremst werden. Eine Lichtwelle besteht in einem Medium nicht nur aus Photonen. Vielmehr bewegt sich durch ein Medium eine Anregungswelle, an der neben der normalen elektrischen Feldstärke noch die Polarisation der Atome eine Rolle spielt.

Durch die Kopplung des elektrischen Feldes an die Atome bewegt sich die Lichtwelle im Medium langsamer als im Vakuum und man kann diese neue Welle ähnlich wie eine freie Lichtwelle zu langsameren Photonen quantisieren. Diese Lichtquanten sind aber nicht mit den Photonen im Vakuum identisch. Man kann daher nicht von einer Abbremsung der Photonen sprechen.

http://www.quantenwelt.de/faq/photonen_bremsen.html

Kommentar von seniorix ,

Wenn ich alles richtig verstanden habe, breitet sich (Laser-)Licht im Vakuum nach einer Naturkonstante aus.

Es gibt aber allgemein (technisch) die Schwierigkeit es zu bündeln und zu fokussieren, so dass es mit zunehmender Entfernung stärker streut. Die maximale Messung! der Entfernung richtet sich nach dem Hubble-Radius --- hab ich hier gefunden http://www.abenteuer-sterne.de/wie-gross-ist-das-beobachtbare-universum/ ---- Also kann sich Licht unendlich ausbreiten, kann aber durch die Theorie der Expansion des Weltalls ab einer "riesigen" Entfernung nicht mehr gemessen werden, da die Ausweitung "schneller" ist und vom Licht nicht eingeholt werden kann. So dass dieses Licht(teilchen) von "außen" betrachtet vom Weltall "verschluckt" wird, da es nie ankommt.

Na, ja bis zum Alpha Centauri würde es wohl reichen. ;-)

Danke nochmals an alle.

Antwort
von exxonvaldez, 34

Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Warum sollte sich das ändern?

Die Gravitation lässt sich sowieso nicht beeinflussen. Ihre Auswirkungen bleiben immer gleich.

Auch ein Laserstrahl hat eine gewisse Streuung. Irgendwann ist er soweit aufgefasert, dass er nicht mehr nachweisbar ist.

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