Photon am Ereignishorizont

[SCR]

Morgen Marco Polo,

Zitat von Marco Polo

und zwar wo? In der PM?

Verunglimpfe hier nicht die Zeitschriften meiner Kindheit (Du hast Glück dass Du nur die PM und nicht Yps erwähnt hast ).
http://www.aip.de/~lie/Movies/Regenschirm.html (Hübsches Applet: Mindestens so gut wie die PM!)

Und ich hätte einmal wieder nicht "generell" schreiben bzw. den Mund so voll nehmen sollen - Kann mich frühestens morgen wieder melden.

[Uli]

Hallo Marco,

irgendwie regte sich in mir doch ein gewisser Widerspruch beim Lesen mancher deiner Passagen.

Zitat von Marco Polo

...
Ein Photon legt keine Strecken zurück. Ein Lichtstrahl schon. Photonen werden nur bei Wechsewirkungen gemessen. Bei einem Lichtstrahl ist die verstrichene Eigenzeit für ein zurückgelegtes Raumzeitintervall Null.

Diese Unterscheidung scheint mir doch ein wenig gekünstelt. Photonen sind die Quanten des elm. Feldes; sie transportieren ein Energiequantum h*f und dieses propagiert mit c im Vakuum. Deshalb macht es m.E. auch sehr viel Sinn zu sagen, das Photon selbst propagiert mit c.
Messungen setzen ja auch immer Wechselwirkungen voraus.

Zitat von Marco Polo

...
Auch in der Fachliteratur findet man immer wieder die Aussage, dass ein Photon mit Lichtgeschwindigkeit fliegt. Es ist dann aber stets eine elmag Welle gemeint und kein Teilchen.
...
Gruss, Marco Polo

Ich halte diese Aussage aus der Fachliteratur auch für sinnvoll (s.o.). Es gibt schließlich keine elm. Welle ohne Photonen. Wir wissen dank der QM, dass beide Bilder (Photon / elm. Welle) okay sind; das eine ist die Quanten-, das andere die klassische Beschreibung. Das ist nicht "ent oder weder". Eine ebene elm. Welle ist für mich auf Quantenebene so etwas wie ein kontinuierlicher Strom von Photonen. Dieses Bild wird durch den photoelektrischen Effekt nahegelegt, finde ich.

Das waren jetzt auch nur meine Vorstellungen.

Gruß,
Uli

[Marco Polo]

Hi Uli,

Zitat von Uli

irgendwie regte sich in mir doch ein gewisser Widerspruch beim Lesen mancher deiner Passagen.

eine Unverschämtheit. Nein. Ich mach nur Spass.

ich schrieb ja auch:

Das ist natürlich nur meine beschränkte Sicht der Dinge. Durchaus möglich, dass mir das ein Experte um den Hals wickelt.

Zitat von Uli

Diese Unterscheidung scheint mir doch ein wenig gekünstelt. Photonen sind die Quanten des elm. Feldes; sie transportieren ein Energiequantum h*f und dieses propagiert mit c im Vakuum. Deshalb macht es m.E. auch sehr viel Sinn zu sagen, das Photon selbst propagiert mit c.
Messungen setzen ja auch immer Wechselwirkungen voraus.

Ich hatte ja die Photon-Problematik anhand der SRT und im Speziellen anhand eines Minkowski-Diagramms erörtert. Die SRT ist eine Modelltheorie. Bei einem Lichtstrahl im Minkowski-Diagramm gehe ich vereinfacht vom ich nenne es mal "Idealfall" aus.

Nämlich dem, bei dem ein Lichtstrahl völlig wechselwirkungsfrei eine Weltlinie im Minkowski-Diagramm beschreibt.

Wir halten also fest, und ich denke hier stimmst du mir zu, dass ein Lichtstrahl im Minkowski-Diagramm eine lichtartige Weltlinie beschreibt.

Die Frage, die sich mir stellt ist die Folgende: Kann auch ein einzelnes Photon eine solche lichtartige Weltlinie im Minkowski-Diagramm beschreiben? Ich denke nicht.

Dazu müssten Photonen eine Identität besitzen. Mann kann diese ja nicht irgendwie markieren und ihnen damit eine Identität zuweisen.

Damit ist es imho unmöglich ein Photon durch die Zeit zu verfolgen und diesem eine Geschwindigkeit zuzusprechen.

So nach dem Motto: Mensch Heinz, da ist ja schon wieder dieses scheussliche Photon von vorhin. Jetzt kreist das hier schon wieder rum und nervt.

Es mag zwar sein, dass ein Lichtstrahl in der quantenmechanischen Beschreibung aus Photonen besteht. Aber die SRT ist eine Theorie der Beobachter. Hier werden also Erfahrungen von Beobachtern verglichen, die sich relativ zueinander usw. blabla bewegen.

Und genau diesen Beobachtern ist es imho unmöglich ein einzelnes Photon über einen Zeitraum zu beobachten und anhand dieser Daten eine Weltlinie ins Minkowski-Diagramm einzuzeichnen.

Der Beobachter müsste während der Beobachtungszeit ständig wissen, dass es sich um ein und das selbe Photon handelt, das er da beobachtet. Und das ist halt nicht möglich.

Hab ich das jetzt einigermassen verständlich rüber gebracht?

Ich halte diese Aussage aus der Fachliteratur auch für sinnvoll (s.o.). Es gibt schließlich keine elm. Welle ohne Photonen. Wir wissen dank der QM, dass beide Bilder (Photon / elm. Welle) okay sind; das eine ist die Quanten-, das andere die klassische Beschreibung. Das ist nicht "ent oder weder". Eine ebene elm. Welle ist für mich auf Quantenebene so etwas wie ein kontinuierlicher Strom von Photonen. Dieses Bild wird durch den photoelektrischen Effekt nahegelegt, finde ich.

Der photoelektrische Effekt behandelt ja wieder die Wechselwirkung. Bei der ist klar, dass die Quanten des elmag. Feldes (Photonen) die Elektronen aus einer Metalloberfläche entsprechend ihres Energiebetrags lösen.

Du sprichst aber ohne Wechselwirkung von einem kontinuierlichen Photonenstrom. Dieser Photonenstrom tritt aber imho erst bei der Wechselwirkung zutage.

Ich schnöfe ja ganz gerne auf Jochims Seiten und habe folgendes gefunden:

http://www.quantenwelt.de/licht/photonen/

Auszug:

Oft werden Photonen als die Bauteile vorgestellt, aus denen Licht besteht. Tatsächlich stimmt es, dass die Quanten, die von Atomen aus dem Licht absorbiert (aufgenommen) werden, mit den Elementarteilchen, die man Photonen nennt, identisch sind. Allerdings sollte man sich das nicht so vorstellen als sei Licht ein Strom aus kleinen Teilchen oder Wellenpaketen. Ein Photon ist weder ein klassisches Teilchen noch ein Wellenpaket.

Der Physiker blablubbb aus Joachims Forum schreibt dazu:

Zu sagen, dass das Licht aus Photonen besteht ist falsch.

Jetzt haben wir das Dilemma gegensätzlicher Aussagen zum Thema Licht und Photon.

Und nu?

Gruss, Marco Polo

[Eyk van Bommel]

Ihr sprecht immer von einem Photon? Sind es nicht Photonenpakete? Oder wird der Begriff Photonenpaket nicht mehr verwendet?

Zu sagen, dass das Licht aus Photonen besteht ist falsch.

Ich ging bisher davon aus, dass man weder das eine noch das andere sagen kann, sondern dass sich die bisherige Physik je nach Vorgang entscheidet welches Bild sie verwenden möchte?

Gruß
EVB

[Uli]

Zitat von Marco Polo

Die Frage, die sich mir stellt ist die Folgende: Kann auch ein einzelnes Photon eine solche lichtartige Weltlinie im Minkowski-Diagramm beschreiben? Ich denke nicht.

Ich denke schon. Ein Photon hat keine Ruhemasse und bewegt sich deshalb auf lichtartigen Weltlinien.

Zitat von Marco Polo

Dazu müssten Photonen eine Identität besitzen. Mann kann diese ja nicht irgendwie markieren und ihnen damit eine Identität zuweisen.

Nun gut, aber das ist natürlich keine Spezialität von Photonen. Elektronen oder Protonen sind genauso ununterscheidbar. Bei Vielteilchen-Systemen ist es unmöglich, diese auseinander zu halten. Man kennt nur eine Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen der Sorte X am Orte A vorzufinden.

Zitat von Marco Polo

Damit ist es imho unmöglich ein Photon durch die Zeit zu verfolgen und diesem eine Geschwindigkeit zuzusprechen.

Ich identifiziere das Photon mit dem Energiepaket, das es transportiert. Das ist schließlich die Eigenschaft, die ein Photon ausmacht: es ist ein Quant. Wir können ganz sicher sein, dass sich dieses Energiequantum im Vakuum mit c fortpflanzt. M.E. macht es nun überhaupt keinen Sinn, dem zugehörigen Photon etwas anderes zuzuschreiben - etwa eine andere Geschwindigkeit.

Zitat von Marco Polo

So nach dem Motto: Mensch Heinz, da ist ja schon wieder dieses scheussliche Photon von vorhin. Jetzt kreist das hier schon wieder rum und nervt.

Ich gebe ja zu, dass die Ununterscheidbarkeit von Elementarteilchen die Diskussion verkompliziert. Zudem kann man Elementarteilchen keine Bahnen zuordnen.
Aber dennoch: die einzelnen Photonen, die eine Lichtquelle aussendet, lassen sich ja mittels Photo-Multiplier nachweisen. So kann ich für einen Laserstrahl bekannter Wellenlänge und Leistung vorhersagen, mit welcher Rate der Photomultiplier ticken wird und einen mittleren Abstand der Photonen voneinander angeben, aber halt nur einen mittleren.
Dann kann es doch nicht falsch sein, zu sagen, dass Licht aus Photonen besteht - ein Photonenstrom ist.

Zitat von Marco Polo

Es mag zwar sein, dass ein Lichtstrahl in der quantenmechanischen Beschreibung aus Photonen besteht. Aber die SRT ist eine Theorie der Beobachter. Hier werden also Erfahrungen von Beobachtern verglichen, die sich relativ zueinander usw. blabla bewegen.

Und genau diesen Beobachtern ist es imho unmöglich ein einzelnes Photon über einen Zeitraum zu beobachten und anhand dieser Daten eine Weltlinie ins Minkowski-Diagramm einzuzeichnen.

Der Beobachter müsste während der Beobachtungszeit ständig wissen, dass es sich um ein und das selbe Photon handelt, das er da beobachtet. Und das ist halt nicht möglich.

Hab ich das jetzt einigermassen verständlich rüber gebracht?

Nun gut. Das gilt dann - wie gesagt - ganz genauso für Elektronen und Protonen. Letztlich geht es halt um Wahrscheinlichkeiten. Teilchen sind lokalisierte Wahrscheinlichkeitswolken, die sich auch bewegen können. Wenn sich 2 solcher Wolken oder Pakete nahekommen, überlagern sich die Wahrscheinlichkeitsverteilungen und ich kann nicht mehr sagen, wer wer ist. In der Praxis kann ich aber z.B. bei einem Streuexperiment die Spur eines auslaufenden Pions aufnehmen und mir sehr sicher sein, dass es immer dasselbe ist und dass es vom Kollisionsort kommt. Wenn ich ein interagierendes Systems vieler identischer Teilchen habe, dann wird es jedoch schwierig.

Zitat von Marco Polo

Der photoelektrische Effekt behandelt ja wieder die Wechselwirkung. Bei der ist klar, dass die Quanten des elmag. Feldes (Photonen) die Elektronen aus einer Metalloberfläche entsprechend ihres Energiebetrags lösen.

Du sprichst aber ohne Wechselwirkung von einem kontinuierlichen Photonenstrom. Dieser Photonenstrom tritt aber imho erst bei der Wechselwirkung zutage.

Das ist keine Einschränkung: ohne Wechselwirkung kann ich gar nichts nachweisen. Ohne Wechselwirkung gibt es keinen Messprozess.

Zitat von Marco Polo

Ich schnöfe ja ganz gerne auf Jochims Seiten und habe folgendes gefunden:

http://www.quantenwelt.de/licht/photonen/

Auszug:

Ich stimme ja zu darin, dass das Photon kein klassisches Teilchen ist. Es gibt Probleme mit Bahnen und Ununterscheidbarkeit. Aber ich denke immer noch, dass es sehr viel Sinn macht, sich Licht auch als einen Strom von Photonen vorzustellen.

Zitat von Marco Polo

Der Physiker blablubbb aus Joachims Forum schreibt dazu:
"Zu sagen, dass das Licht aus Photonen besteht ist falsch. "

Ich wage es, ihm zu widersprechen und kontere mit Zitaten:

Feynman: "Licht besteht immer aus Teilchen, weil jedes Experiment, das genau genug ist, Lichtteilchen detektiert."

http://www.aei.mpg.de/einsteinOnline...r/p/index.html
"In der Quantentheorie ist Licht keine kontinuierliche elektromagnetische Welle sondern ein steter Strom von winzigen Energiepaketen, den Photonen. "


Zum Schluss ein "versöhnliches" Einstein-Zitat:
"Die ganzen 50 Jahre bewußter Grübelei haben mich der Antwort auf die Frage : Was sind Lichtquanten? nicht näher gebracht. Heute glaubt zwar jeder ****, er wisse es, aber er täuscht sich."

Gruß,
Uli

[Marco Polo]

Zitat von Uli

Zum Schluss ein "versöhnliches" Einstein-Zitat:
"Die ganzen 50 Jahre bewußter Grübelei haben mich der Antwort auf die Frage : Was sind Lichtquanten? nicht näher gebracht. Heute glaubt zwar jeder ****, er wisse es, aber er täuscht sich."

Hi Uli,

danke für deine ausführliche Stellungnahme.

Das Einstein-Zitat gefällt mir übrigens sehr gut.

Die Photonen werden wohl auch weiterhin Gegenstand so mancher angeregter Diskussion bleiben. Und das ist auch gut so.

Ich vertraue jetzt erstmal deinem physikalischen Sachverstand und ziehe mich zunächst zu weiterer Grübelei zurück.


Viele Grüsse, Marco Polo

[Timm]

Flitterwochen am Schwarzen Loch enden tragisch / Stellar Bild, anno 37317

Diese Geschichte ist finde ich recht instruktiv. Sie spielt in einem Minkowski-Diagramm. Ich nenne es hier einfach RZD ( Raum-Zeit-Diagramm). Für diejenigen, die noch nicht damit zu tun hatten, hier eine kurze Einführung, leider ohne Skizze.

Raum-Zeit-Diagramm

Ein solches Diagramm zeigt den Verlauf von "Weltlinien", WL, in Raum und Zeit. Die Zeit verläuft parallel zur y-Achse, der Raum (nur als eine Dimension dargestellt) parallel zur x-Achse. Die WL eines Körpers in Ruhe verläuft also senkrecht nach oben. Ein Lichtpuls entfernt sich nach links und rechts unter einem Winkel von 45°und bildet somit den sog. Lichtkegel, innerhalb dessen sich alle zeitartigen (kausal verknüpften) Ereignisse abspielen. Kleinere Winkel gibt es nicht, denn dies würde ÜLG bedeuten.

Praktisches Beispiel: Ein Laserpuls wird zum Mars geschickt, dort reflektiert und kommt nach 40 min zurück zur Erde. Im RZD entfernt sich der Puls unter 45° z.B. nach rechts, schließt bei Reflexion einen 90° Winkel nach links ein und trifft wieder die WL der Erde, die sich inzwischen 40 min nach oben bewegt hat.

Nun kommen wir zum Schwarzen Loch. Die WLen eines SLes bilden einen vertikalen Zylinder, dessen Oberfläche der Ereignishorizont EH und dessen Achse die Singularität ist.

Nun betrachten wir Licht und den freien Fall. Licht nähert sich dem SL geradlinig unter 45°, durchquert den EH und endet unter Beibehaltung der Richtung an der Singularität. Die Bahn eines frei fallenden Körpers beginnt steiler, beschreibt einen leichten Bogen und endet ebenfalls an der Singularität. Daß die Bahn langsam flacher wird (Bogen), drückt die zu Zunahmen der Geschwindigkeit aus.

Nun brauchen wir noch die WLen von Lichtpulsen, die ein frei fallendes Objekt (im RZD nach rechts Richtung SL) entgegen der Fallrichtung sendet. Diese Pulse entfernen sich anfänglich unter 45° (oder mehr, falls das Objekt im Gravitationsfeld zu fallen beginnt) nach links oben, werden immer steiler, und verlaufen unmittelbar vor dem EH fast senkrecht. Dabei bewegen sie sich nicht auf Geraden, sondern umso stärker nach links gebogen, je weiter sie schon aus dem Gravitationsfeld aufgestiegen sind. Innerhalb des EH verlaufen die Pulse zunächst anfänglich nahezu parallel zum EH, später immer flacher. Auch diese Bahnen verlaufen gerkrümmt, diesmal nach rechts Richtung Singularität, da sie sich ja umso schneller zur Sing. bewegen, je näher sie dieser schon sind.

Ich hoffe dieses Szenario halbwegs klar beschrieben zu haben, falls es Nachfragen gibt, gerne. Wichtig ist, daß sich die WLen dieser Lichtpulse auffächern, ihr Abstand mit t also stetig zunimmt.

Die Geschichte nimmt nun folgenden Verlauf:

Der Marianengraben ist schon außer Mode, also verbringen Alice und Bob ihre Flitterwochen an einem Schwarzen Loch. Ihre Rakete bewerkstelligt konstanten Abstand. Bei B der Raketen WL verliert Bob bei Außenarbeiten das Gleichgewicht, weil er sich von einem wunderschönen Einstein-Ring ablenken läßt. Er stürzt Richtung SL, wobei sein Raumanzug Lichtpulse aussendet. Alice verfällt in eine tiefe Agonie. Als sie irgendwann wieder zu sich kommt, spring sie bei A Bob nach, vielleicht kann sie ihn wenigstens nochmal sehen.

Bob fällt bei b, Alice bei a durch den EH.

Daraus ergeben sich folgende Fragestellungen:

1. Sieht Alice, wie Bob den EH überquert? Und wenn ja, in welcher Situation?

2. In welcher Situation sieht Alice Bob ein letztes mal?

3. Kann Bob Alice nochmal sehen?

4. Mit welchem zeitlichen Verlauf erreichen Bob's Lichtsignale die Rakete zwischen B und A, sowie Alice zwischen A und a?

Eine Skizze, die nicht besonders genau sein muß, sollte genügen, sofern ich das alles gut genug rübergebracht habe!?

Ich warte jetzt zunächst mal auf Eure Lösungen.

Gruß, Timm

[Marco Polo]

Zitat von Timm

Ein solches Diagramm zeigt den Verlauf von "Weltlinien", WL, in Raum und Zeit. Die Zeit verläuft parallel zur x-Achse, der Raum (nur als eine Dimension dargestellt) parallel zur y-Achse.

Hi Timm,

verhält es sich nicht genau anders herum?

Gruss, Marco Polo

[Timm]

Zitat von Marco Polo

Hi Timm,

verhält es sich nicht genau anders herum?

Gruss, Marco Polo

Hi Marco Polo,

ja, allerdings. Danke, gut, daß Du den Fehler bemerkt hast,

Gruß, Timm

[Timm]

Zitat von Timm

Eine Skizze, die nicht besonders genau sein muß, sollte genügen, sofern ich das alles gut genug rübergebracht habe!?

Meine Befürchtung: wohl eher nicht.

Dennoch hier der Versuch diese Geschichte anhand des RZD's zu beschreiben:

Ausgangssituation: Die Rakete hält konstanten Abstand zum SL. Somit zeigt das RZD 3 vertikalen Weltlinien, WL. Willkürlich gewählt links die Rakete, 3 cm rechts der Ereignishorizont EH, davon 1 cm rechts die Singularität, S.

Bei B auf der WL der Rakete beginnt der freie Fall von Bob. Seine WL verläuft nach schräg rechts oben, krümmt sich dabei leicht nach rechts, schneidet bei b den EH und endet bei S.

Für die WLen von Bob's Lichtpulsen gilt:

Nun brauchen wir noch die WLen von Lichtpulsen, die ein frei fallendes Objekt (im RZD nach rechts Richtung SL) entgegen der Fallrichtung sendet. Diese Pulse entfernen sich anfänglich unter 45° (oder mehr, falls das Objekt im Gravitationsfeld zu fallen beginnt) nach links oben, werden immer steiler, und verlaufen unmittelbar vor dem EH fast senkrecht. Dabei bewegen sie sich nicht auf Geraden, sondern umso stärker nach links gebogen, je weiter sie schon aus dem Gravitationsfeld aufgestiegen sind. Innerhalb des EH verlaufen die Pulse zunächst anfänglich nahezu parallel zum EH, später immer flacher. Auch diese Bahnen verlaufen gerkrümmt, diesmal nach rechts Richtung Singularität, da sie sich ja umso schneller zur Sing. bewegen, je näher sie dieser schon sind.

Betrachten wir nun, wie Bob's Lichtpulse bei der Rakete eintreffen. Die Abstände zweier aufeinander folgender Pulse werden zunehmend länger, je tiefer Bob fällt. Alice muß also immer länger auf den nächsten Puls warten. Folglich sieht sie Bob immer langsamer fallen, wäre sie ewig in der Rakete, käme aus ihrer Sicht Bob zum Stillstand.

So lange wartet Alice aber nicht. Bei A ( willkürlich 3 cm in der Zukunft von B) springt sie Bob nach. Ihre WL im RZD verläuft von hier ab bis zur S parallel zu der von Bob, bei a überquert sie den EH. Folglich erreichen sie Bob's Lichtpulse nun in kürzeren zeitlichen Anstanden. Im Vergleich zu vorher sieht sie Bob schneller fallen.

Was geschieht am EH?

Während Alice bei a durch den EH fällt, sieht sie Bob ebenfalls durch diesen fallen. Bob's bei b abgestrahlter Lichtpuls bleibt ja - Thema dieses Threads - auf dem EH, d.h. dessen WL verläuft im RZD senkrecht nach oben und schneidet bei a die WL von Alice.

Was geschieht innerhalb des SLes?

Eine Weile sieht Alice Bob noch fallen, dann verschwindet sein Bild abrupt. Ist Bob schon in der Singularität angekommen? Schauen wir uns die WLen seiner Lichtpulse innerhalb des SLes an. Sie verlaufen anfangs noch fast parallel zum EH, dann immer stärker nach rechts in Richtung der S gekrümmt. Diese WLen dieser Pulse schneiden anfänglich noch die WL von Alice. Die späteren Pulse jedoch nicht mehr, diese erreichen bereits die S, solange Alice noch fällt. Es gibt also einen letzten Lichtpuls von Bob, den Alice gerade noch sieht.

Natürlich kann Bob zu keinem Zeitpunkt Alice sehen. Ihre WL verläuft stets in seiner Zukunft.

Nachlesen kann man das alles in "General Relativity from A to B" von Robert Geroch, Ausgabe 1978, S. 210. Mit Unterstützung von RZD's gibt der Autor u.a. eine ausgezeichnete Einführung in die bizarre Welt der SLer. Das obige Beispiel erscheint mir besonders instruktiv.

Ein Problem ist sicherlich die verbale Beschreibung. Kennt jemand eine Möglichkeit, ein mit Digitalkamerea aufgenommenes Bild hier einzuschleußen?
Falls es Fragen gibt, stehe ich natürlich gerne zue Verfügung,

Gruß, Timm

reichlich spät kommt hier das Bild aus "General Relativity From A to B" von Robert Geroch