Gibt es Lichtreibung?

Wissenschaft Physik
#1

Hallo,

verliert ein Lichtstrahl an Energie, wenn er einen anderen Lichtstrahl kreuzt?
Gedankenexperiment: Zwei gleiche Laserstrahlen durchlaufen im Vakuum dieselbe Strecke. Einer von ihnen muss dabei aber eine Reihe von anderen Laserstrahlen oder ein Lichtfeld durchkreuzen.
Werden die beiden Laserstrahlen sich am Ende der Strecke unterscheiden?
Wenn es Reibungsverluste gibt: wie sind sie auf mikroskopischer Ebene zu erklären? Wechselwirken Photonen miteinander, können sie einander Impuls, Energie oder andere Parameter (Polarisation) übertragen oder bewegt sich ein Photon völlig unbeeinflusst von anderen Photonen?
Gibt es Photonenstöße und kann dabei Materie entstehen? Der umgekehrte Prozess ist ja möglich.

Vielen Dank, Tychi

#2

Hallo!

verliert ein Lichtstrahl an Energie, wenn er einen anderen
Lichtstrahl kreuzt?

Nein.

Wechselwirken Photonen
miteinander, können sie einander Impuls, Energie oder andere
Parameter (Polarisation) übertragen oder bewegt sich ein
Photon völlig unbeeinflusst von anderen Photonen?

Eine Wechselwirkung dieser Art, die an den klassischen Stoß erinnert, gibt es bei Photonen nicht. Sie beeinflussen einander aber doch in bestimmter Weise: Aus quantenmechanischen Gründen ist es für ein Photon wahrscheinlicher einen Zustand anzunehmen, in dem sich schon ein anderes Photon befindet, als einen anderen Zustand. Das ist der Grund für die stimulierte Emission. Diese wiederum ist die Voraussetzung für den Laser (LASER = light emplification by stimulated emission of radiation).

Gibt es Photonenstöße und kann dabei Materie entstehen? Der
umgekehrte Prozess ist ja möglich.

Je, diesen Effekt gibt es. Er nennt sich „Paarbildung“.
http://de.wikipedia.org/wiki/Paarerzeugung

Michael

#3

Feynman-Diagramm falsch?
Hallo!

Gerade eben habe ich den Artikel von wikipedia zur Paarbildung verlinkt:

Je, diesen Effekt gibt es. Er nennt sich „Paarbildung“.
http://de.wikipedia.org/wiki/Paarerzeugung

Mir scheint, dass das Feynman-Diagramm auf dieser Seite falsch ist. Wenn die Zeitachse (wie hier gezeichnet) horizontal angeordnet ist, dann bezeichnet doch der Graph links unten („Ze“) eine Annihilation - was definitiv falsch wäre. Ich bin der Meinung, dass die Weltlinie des Kerns um 90° gedreht werden müsste. Oder habe ich jetzt irgendwie falsch gedacht?

Michael

#4

Hallo Michael,

Sie beeinflussen
einander aber doch in bestimmter Weise: Aus
quantenmechanischen Gründen ist es für ein Photon
wahrscheinlicher einen Zustand anzunehmen, in dem sich schon
ein anderes Photon befindet, als einen anderen Zustand.

Was charakterisiert den Zustand eines Photons? Elektronen sind durch ihren Impuls oder ihren Ort und durch ihren Spin charakterisiert.

Das
ist der Grund für die stimulierte Emission.

Das? Ich dachte, eher die Besetzungsinversion der Elektronen in einem Lasermaterial. Die Elektronen fallen dann zurück in das niedrigere Niveau und die dabei entstehenden Photonen haben gerade die Energie, die geeignet ist, die anderen Elektronen ebenfalls abzuregen.
Was hat das mit den Photonenzuständen zu tun?
Außerdem: Wenn Photonen dazu tendieren, dass sich ihre Zustände angleichen: welche Art von Wechselwirkung ergibt sich daraus und welche Konsequenzen hat sie?

Gibt es Photonenstöße und kann dabei Materie entstehen? Der
umgekehrte Prozess ist ja möglich.

Je, diesen Effekt gibt es. Er nennt sich „Paarbildung“.
http://de.wikipedia.org/wiki/Paarerzeugung

Das ist dort aber anders beschrieben. Das Teilchenpaar ist nicht das Ergebnis eines Photonenstoßes, sondern es entsteht aus einem Photon in einem elektrischen Feld.

Versuch’s mal ein bisschen genauer.

Liebe Grüße, Tychi

#5

ja, Feynman-Diagramm falsch

Mir scheint, dass das Feynman-Diagramm auf dieser Seite falsch
ist. Wenn die Zeitachse (wie hier gezeichnet) horizontal
angeordnet ist, dann bezeichnet doch der Graph links unten
(„Ze“) eine Annihilation - was definitiv falsch wäre. Ich bin
der Meinung, dass die Weltlinie des Kerns um 90° gedreht
werden müsste. Oder habe ich jetzt irgendwie falsch gedacht?

Das ist richtig. Die Feldkopplung (die durch Ze angegeben wird) ist falsch gezeichnet. Sie müßte um ca 45° nach links gedreht sein, um damit die Impulsaufnahme des Kerns anzudeuten, wenn er das Photon abgibt.

Aber das ist nicht der einzige Fehler: Da die Elektronimpulse richtig gezeichnet sind (einmal auslaufend und einmal einlaufend = zeitlich rückwärts) müßte auch am zweiten die Bezeichnung e- stehen. Denn das zeitlich rückwärts laufendes e- IST ja gerade das zeitlich vorwärtslaufende e+

Gruß

Mezapher

Photonen-Universum?
#6

Hallo,

wie Prof. Lesch in einer seiner Sendungen verlauten ließ, ist
es mit den Photonen (Boson) so, daß diese quasi unendlich dicht
auftreten können.
Leider wird auf BR-alpha gerade umgebaut, so daß die Links zu
Alpha Centauri derzeit nicht verfügbar sind.
Gruß Uwi

#7

Photon-Photon-Kollision
Hi Tychi,

Das ist dort aber anders beschrieben. Das Teilchenpaar ist
nicht das Ergebnis eines Photonenstoßes

Doch, ist es. Denn das (externe) Photon koppelt ja an das em-Feld gerade über ein Photon! Die γ-γ-Wechselwirkung sieht immer so aus: Ein virtuelles (d.h. orthogonal zur Zeitrichtung) Fermion wird ausgetauscht - und ein relles Fermion-Antifermion-Paar bleibt übrig. Allerdings nur in der ersten Näherung. In Wirklichkeit ist es komplizierter, da kommen höhere Terme dazu.

Hier ist nur die Paarerzeugung am Kernfeld genommen, weil das der übliche und wahrscheinlichere Prozeß ist (der btw. bei der Bremsstrahlung ganz ähnlich aussieht, nur daß die beiden Vertizes zeitlich vertauscht sind).

Eine freie γ-γ-Kollision hat naturgemäß einen extrem kleinen Wirkungsquerschnitt, ist aber ebenfalls beobachtet worden. Z.B.
http://www.madsci.org/posts/archives/1999-02/9198920…

Gruß

Metapher

Photonen-Universum?
#8

Hallo!

Das
ist der Grund für die stimulierte Emission.

Das? Ich dachte, eher die Besetzungsinversion der Elektronen
in einem Lasermaterial.

Nein. Die Besetzungsinversion ist nur die Ursache dafür, dass die spontane Emission weitaus seltener auftritt als die stimulierte Emission.

Die Elektronen fallen dann zurück in
das niedrigere Niveau und die dabei entstehenden Photonen
haben gerade die Energie, die geeignet ist, die anderen
Elektronen ebenfalls abzuregen.
Was hat das mit den Photonenzuständen zu tun?

Ich zitiere Feynman: „Vorlesungen über Physik, Bd. III - Quantenmechanik“:

_Stellen wir uns eine Situation vor, in der Photonen in einem Kasten enthalten sind - Sie können sich einen Kasten denken der Spiegel als Wände hat. Nun sagen wir, daß wir in dem Kasten n Photonen haben, die sich all in demselben Zustand befinden - gleiche Frequenz, Richtung und Polarisation -, so daß sie nicht unterschieden werden können. Außerdem ist auch ein Atom in dem Kasten, das ein weiteres Photon in denselben Zustand emittieren kann. Dann ist die Wahrscheinlichkeit, daß es ein Photon emittieren wird,

(n + 1)|a|²,

[…] wobei |a|² die Wahrscheinlichkeit dafür ist, daß es ein Photon emittieren würde, wenn keine weiteren vorhanden wären._

Außerdem: Wenn Photonen dazu tendieren, dass sich ihre
Zustände angleichen: welche Art von Wechselwirkung ergibt sich
daraus und welche Konsequenzen hat sie?

Ich glaube, das geht jetzt etwas über das Thema hinaus. Gemeint ist damit das unterschiedliche Verhalten von Bosonen und Fermionen. Während Fermionen dem Pauli-Prinzip gehorchen und identische Zustände meiden wie der Teufel das Weihwasser, nehmen Bosonen bevorzugt solche Zustände an. (Photonen sind Bosonen)

Versuch’s mal ein bisschen genauer.

Ich tue mein bestes. :wink:

Michael

#9

Hallo Metapher,

schön, mal wieder von dir zu lesen. Leider habe ich nur noch selten Zeit/Lust für das Forum und dann nur noch, wenn ich Fragen habe. Aber ich freue mich aber, dass ich nur reinzuschauen brauche und schon sind die alten Bekannten da.

Das ist dort aber anders beschrieben. Das Teilchenpaar ist
nicht das Ergebnis eines Photonenstoßes

Doch, ist es. Denn das (externe) Photon koppelt ja an das
em-Feld gerade über ein Photon! Die
γ-γ-Wechselwirkung sieht immer so aus: Ein
virtuelles (d.h. orthogonal zur Zeitrichtung) Fermion wird
ausgetauscht - und ein relles Fermion-Antifermion-Paar bleibt
übrig. Allerdings nur in der ersten Näherung. In Wirklichkeit
ist es komplizierter, da kommen höhere Terme dazu.

An sowas dachte ich selbst auch. Aber weil es da nicht stand, kamen mir Zweifel. Das Kernfeld ist ja ein Feld von (virtuellen?) Photonen.

Hier ist nur die Paarerzeugung am Kernfeld genommen, weil das
der übliche und wahrscheinlichere Prozeß ist (der btw. bei der
Bremsstrahlung ganz ähnlich aussieht, nur daß die beiden
Vertizes zeitlich vertauscht sind).

Eine freie γ-γ-Kollision hat naturgemäß einen
extrem kleinen Wirkungsquerschnitt, ist aber ebenfalls
beobachtet worden.

Dann gibt es also Photonenstöße. Wie beantwortest du dann meine Ausgangsfragen?

Viele Grüße, Tychi

#10

Hallo Uwi

wie Prof. Lesch in einer seiner Sendungen verlauten ließ, ist
es mit den Photonen (Boson) so, daß diese quasi unendlich
dicht
auftreten können.

Das ist richtig. Während keine zwei Fermionen denselben Zustand einnehmen können, ist eine Mehrfachbesetzung desselben Zustandes durch zwei Bosonen kein Problem. Sind alle oder fast alle Bosonen eines Ensembles im Grundzustand, dann haben wir ein Bose-Einstein-Kondensat. Manche fassen einen Laserstrahl als BEK von Photonen auf, weil alle Photonen im selben Zustand sind.
Nur sehe ich nicht, inwiefern dies meine Frage berührt.

Viele Grüße, Tychi

#11

Hallo

Die Elektronen fallen dann zurück in
das niedrigere Niveau und die dabei entstehenden Photonen
haben gerade die Energie, die geeignet ist, die anderen
Elektronen ebenfalls abzuregen.
Was hat das mit den Photonenzuständen zu tun?

Ich zitiere Feynman: „Vorlesungen über Physik, Bd. III -
Quantenmechanik“:

Stellen wir uns eine Situation vor, in der Photonen
in einem Kasten enthalten sind - Sie können sich einen Kasten
denken der Spiegel als Wände hat. Nun sagen wir, daß wir in
dem Kasten n Photonen haben, die sich all in demselben Zustand
befinden - gleiche Frequenz, Richtung und Polarisation -, so
daß sie nicht unterschieden werden können. Außerdem ist auch
ein Atom in dem Kasten, das ein weiteres Photon in denselben
Zustand emittieren kann. Dann ist die Wahrscheinlichkeit, daß
es ein Photon emittieren wird,
(n + 1)|a|²,
[…] wobei |a|² die Wahrscheinlichkeit dafür ist, daß es ein
Photon emittieren würde, wenn keine weiteren vorhanden
wären.

Ja, aber das ist ja klar: Je mehr Photonen da sind, die das Atom abregen können, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass dies auch geschieht. Und natürlich sind die Photonen besonders geeignet, die genau die Energie haben, auf die das Atom wartet.
Das hat doch aber alles wenig Bezug zu meinen Fragen, oder?

Außerdem: Wenn Photonen dazu tendieren, dass sich ihre
Zustände angleichen: welche Art von Wechselwirkung ergibt sich
daraus und welche Konsequenzen hat sie?

Ich glaube, das geht jetzt etwas über das Thema hinaus.

Glaube ich nicht.

Gemeint ist damit das unterschiedliche Verhalten von Bosonen
und Fermionen. Während Fermionen dem Pauli-Prinzip gehorchen
und identische Zustände meiden wie der Teufel das Weihwasser,
nehmen Bosonen bevorzugt solche Zustände an. (Photonen sind
Bosonen)

Und welche Wechselwirkung ergibt sich daraus? Bei den Fermionen ergibt sich eine starke Abstoßung, die z.B. die Festigkeit von Metallen begründet oder ein Kollabieren eines Weißen Zwergs verhindert.
Und bei den Bosonen?

Versuch’s mal ein bisschen genauer.

Ich tue mein bestes. :wink:

Dafür danke ich dir, aber das reicht leider noch nicht, um mich zufrieden zu stellen.

Gruß, Tychi

#12

Hallo!

Ja, aber das ist ja klar: Je mehr Photonen da sind, die das
Atom abregen können, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass
dies auch geschieht.

Erstmal geht es nicht nur um die Energie, sondern auch um die Richtung und die Polarisation (bzw. den Spin).

Und natürlich sind die Photonen besonders
geeignet, die genau die Energie haben, auf die das Atom
wartet.

Warum sollte das so sein? Das Atom wartet gar nicht auf ein bestimmtes Energiequant, denn es ist ja schon angeregt. Es gibt kein klassisches Modell dafür, was das Photon mit dem Atom macht, wenn es dieses „abregt“.

Sieh es mal so: Das Atom befindet sich in einem Strahlungsfeld. Es kann ein Photon abgeben, um sich selbst abzuregen. Nach der klassischen Thermodynamik wären alle denkbaren Zustände für das entstehende Photon gleich wahrscheinlich. Es schließt sich aber bevorzugt dem Strahlungsfeld an. (übrigens auch bezüglich seiner Phase).

Ich will jetzt nicht das Ganze Kapitel aus dem Feynman abschreiben. Letztendlich ging es um die Unterscheidbarkeit von Quantenobjekten. Unterscheidbare Objekte gehorchen einer anderen Statistik als ununterscheidbare (identische) Teilchen. Das hängt mit der Interferenz zusammen: Bei ununterscheidbaren Teilchen werden nicht die Wahrscheinlichkeiten für Zustände addiert, sondern die Amplituden. Wenn sich die Amplitude für einen Zustand verdoppelt, bedeutet das, dass die Wahrscheinlichkeit viermal so groß ist.

Das hat doch aber alles wenig Bezug zu meinen Fragen, oder?

Du hast nach einer Wechselwirkung zwischen Photonen gefragt. Ich habe geantwortet, dass es eine Wechselwirkung im klassischen Sinne (also so etwas wie einen Stoß) nicht gäbe, dass aber ununterscheidbare Photonen sich gegenseitig so „beeinflussen“, dass sie bevorzugt gleiche Zustände annehmen. Ob das im Sinne Deiner Frage ist, weißt Du selbst am besten.

Und welche Wechselwirkung ergibt sich daraus? Bei den
Fermionen ergibt sich eine starke Abstoßung, die z.B. die
Festigkeit von Metallen begründet oder ein Kollabieren eines
Weißen Zwergs verhindert.
Und bei den Bosonen?

Wie gesagt, der Lasereffekt. (Meinetwegen auch das Bose-Einstein-Kondensat oder suprafluides Helium. Das hat aber dann in der Tat nichts mehr mit Lichts zu tun).

Michael

#13

Hi again,

Dann gibt es also Photonenstöße. Wie beantwortest du dann meine Ausgangsfragen?

deine Ausgangsfrage ist ein wenig skurril, weil du den Begriff „Reibung“ einbringst. Und weil du alle bisherigen Antwortversuche als nicht zutreffend bezeichnest.

Also: Was stellst du dir unter „Reibung“ denn vor? em-Wellen sind doch keine schwingenden Wäscheleinen!? Und selbst wenn sie es wären *g* für em-Wellen gilt das Superpositionsprinzip! Womit deine Frage IMHO beantwortet ist.

Und mit ein wenig anderen Worten: Im Laser handelt es sich um monochromatische kohärente Wellen. Sie laufen

  1. parallel, so daß es keine transversale Impulsübertragung gibt, folglich auch keine Kollision
  2. geht ihre Ortsunschärfe ad infin (der Impuls ist eine δ-Funktion), sonst wären sie ja nicht monochrom. Folglich gibt es auch keinen Vertex im Feynman-Diagramm

Für eine Kollision braucht es

  1. Wellenpakete von endlichem Δx
  2. Energien > melektron pro Photon, die aber im Laser nicht vorliegen

Vielleicht befriedigt dich das jetzt eher? :smile:

Gruß

Metapher

#14

Hallo

Dann gibt es also Photonenstöße. Wie beantwortest du dann meine Ausgangsfragen?

deine Ausgangsfrage ist ein wenig skurril, weil du den Begriff
„Reibung“ einbringst.

Sie kommt von einem interessierten Laien, dem ich sie nicht beantworten konnte.

Und weil du alle bisherigen
Antwortversuche als nicht zutreffend bezeichnest.

Deswegen ist die Frage skurril?

Also: Was stellst du dir unter „Reibung“ denn vor? em-Wellen
sind doch keine schwingenden Wäscheleinen!? Und selbst wenn
sie es wären *g* für em-Wellen gilt das Superpositionsprinzip!
Womit deine Frage IMHO beantwortet ist.

Natürlich weiß ich, dass EM Wellen sich ungestört überlagern. Zumindest ist das in der klassischen Physik so. Ich war mir aber nicht sicher, ob es nicht kleine Quanteneffekte gebe.
Mit Reibung wollte ich die Abschwächung eines Lichtstrahls bezeichnen, der ein Lichtfeld durchläuft.

Und mit ein wenig anderen Worten: Im Laser handelt es sich um
monochromatische kohärente Wellen. Sie laufen

  1. parallel, so daß es keine transversale
    Impulsübertragung gibt, folglich auch keine Kollision
  2. geht ihre Ortsunschärfe ad infin (der Impuls ist eine
    δ-Funktion), sonst wären sie ja nicht monochrom.
    Folglich gibt es auch keinen Vertex im Feynman-Diagramm

Für eine Kollision braucht es

  1. Wellenpakete von endlichem Δx
  2. Energien > melektron pro Photon,
    die aber im Laser nicht vorliegen

Vielleicht befriedigt dich das jetzt eher? :smile:

Ja, das verschafft mir einige Befriedigung. Jetzt muss ich das nur noch dem Laien vermitteln.

Danke, Tychi

#15

Hallo,

verliert ein Lichtstrahl an Energie, wenn er einen anderen
Lichtstrahl kreuzt?

Hallo,

kurz gesagt, in Materie ja - der bekannte Luxemburgeffekt handelt zwar von Radiowellen, aber das ändert ja nichts grundlegendes: in früheren Jahren (1960 oder so) war die Sendeleistung von Radio Luxemburg so gross, dass die Hochatmosphäre über Luxemburg durch das elektromagnetische Feld in den nichtlinearen Bereich gesteuert wurde - d.h. die elektromagnetischen Eigenschaften waren abhängig von der augenblicklichen Feldstärke des Senders. Dadurch wurden andere Radiosignale beim Durchgang durch dieses Gebiet moduliert, man konnte also in Osteuropa amerikanische Kurzwellensender empfangen, bei denen im Hintergrund die Musik von Radio Luxemburg zu hören war.

Gleiches gilt auch für Laserstrahlen in einem Kristall, das ganze läuft glaube ich unter -> nichtlinearer Optik.

Ob und mit welchen Feldstärken man auch das Vakuum in einen nichtlinearen Bereich steuern kann, weiss ich nicht, ich würde es aber nicht grundsätzlich ausschliessen - z.B. wenn die Überlagerung zweier Wellen zu einer Energiedichte führt, bei der Paarbildung möglich wird.

Vielleicht fällt dir auf, dass ich Photonen nicht erwähnt habe, ich rede nur von Wellen - aber das muss ja zulässig sein, es gibt ja nur eine Natur und nicht zwei (für Wellen und für Teilchen).

Gruss Reinhard