Physikalische Bedeutung der Wellenlänge einer EM-Welle

Welche physikalische Bedeutung hat die Wellenlänge des Lichts? Diese Frage wurde schon einmal gestellt, aber ich kann keine zufriedenstellende Antwort finden. Einige Befragte haben gesagt, dass die Frage vage sei, ich glaube nicht, aber lassen Sie mich das klarstellen. Angenommen, jemand zupft eine Gitarrensaite und macht ein Foto der vibrierenden Saite mit einer sehr hohen Verschlusszeit, sodass das Bild der Saite zeitlich „eingefroren“ wird. Nehmen Sie weiter an, dass die Saite mit einer einzigen Frequenz schwingt. Man kann dann das Bild verwenden, um die Wellenlänge der schwingenden Saite zu definieren und zu messen. Nehmen wir nun an, dass ein fortschrittlicher Außerirdischer auf der Erde landet und uns zeigt, wie man ein einzelnes Photon aus einer Laserkanone "abfeuert", und mit fortschrittlicher Technologie, die unser Verständnis völlig übersteigt, in der Lage ist, "einzufrieren". den Weg des einzelnen Photons über eine Distanz von mehreren Metern und kann dann ein 3D-Hologramm der Welle (oder Wellen - elektrisch und magnetisch) erzeugen. Angesichts der Tatsache, dass dieses 3D-Hologramm für unsere Zwecke gedreht und erweitert oder zusammengezogen werden kann, wie würde man dann die Wellenlänge des Photons messen? Gibt es tatsächlich eine echte physikalische Instanziierung der Lichtwellenlänge oder ist es nur ein nützliches abstraktes Konzept (wie imaginäre Zahlen), das in De Broglie und anderen Gleichungen ohne wirkliche physikalische Bedeutung verwendet wird? Wie würde man die Wellenlänge des Photons messen? Gibt es tatsächlich eine echte physikalische Instanziierung der Lichtwellenlänge oder ist es nur ein nützliches abstraktes Konzept (wie imaginäre Zahlen), das in De Broglie und anderen Gleichungen ohne wirkliche physikalische Bedeutung verwendet wird? Wie würde man die Wellenlänge des Photons messen? Gibt es tatsächlich eine echte physikalische Instanziierung der Lichtwellenlänge oder ist es nur ein nützliches abstraktes Konzept (wie imaginäre Zahlen), das in De Broglie und anderen Gleichungen ohne wirkliche physikalische Bedeutung verwendet wird?

Sie haben es selbst gesagt, Licht ist eine elektromagnetische Welle; und die Wellenlänge ist die dieser Welle. Das elektromagnetische Feld ist eine sehr reale physikalische Größe. Was gefällt dir daran nicht?
Photonen sind eine sehr schwierige Sache, über die man nachdenken muss. Während ein einzelnes Photon eine wohldefinierte Wellenlänge haben kann, entspricht es nicht wirklich einer klassischen Welle mit dieser Wellenlänge.
Ja, es gibt eine "echte physikalische Instanziierung der Lichtwellenlänge". Aber Sie müssen sich mit Vier-Potenzial befassen. Siehe den Wiki-Artikel über elektromagnetische Strahlung, in dem Sie lesen können, dass „der Curl-Operator auf einer Seite dieser Gleichungen zu räumlichen Ableitungen erster Ordnung der Wellenlösung führt, während die zeitliche Ableitung auf der anderen Seite der Gleichungen die andere ergibt Feld, ist zeitlich erste Ordnung" . Das eine ist die räumliche Ableitung, das andere die zeitliche Ableitung. Wenn es eine Wasserwelle war und Sie in einem Kanu saßen, ist die Neigung Ihres Kanus E und die Änderungsrate der Neigung ist B.
Die Wellenlänge ist eine Raumlänge, nach der ein oszillierendes Feld sich selbst ähnlich ist (selbstähnlich), sei es seine Phase und Amplitude (optional) oder nur seine Phase Genau genommen ist die Wellenlänge nur für eine bestimmte Frequenz definiert und kann leicht in einfachen sich ausbreitenden Wellenformen (ebene, sphärische ...) erkannt werden. Es ist meistens für jede Frequenz unterschiedlich (von λ = C M A T e R ich A l ( F ) / F für EM), so dass das endgültige Feld, das als Überlagerung dieser Komponenten jeder Frequenz gebildet wird, eine komplexe endgültige Form haben kann, bei der eine bestimmte Wellenlänge möglicherweise nicht leicht bemerkt wird.

Antworten (1)

Nun, das phantasievolle Experiment, das Sie vorgestellt haben, ist eine ziemlich zufriedenstellende Methode, würde ich sagen. Die Wellenlänge einer Gitarrensaite ist einfach der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzen oder Tälern der schwingenden Saite (der Einfachheit halber sei die Frequenz konstant). Die Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes oder Lichts ist nur der entsprechende Wert für ein oszillierendes elektrisches Feld. Ich kann mir zwei mögliche Einwände gegen diese Definition vorstellen -

F. Gitarrensaiten sind echt, sind Felder echte Objekte oder nur mathematische Konstrukte?

Dies wäre eine berechtigte Frage, die dadurch verschärft wird, wie Fächer in der Schule unterrichtet werden. Aber seien Sie versichert, Felder sind ungefähr so ​​sehr ein mathematisches Konstrukt wie Objekte. Die Quantenfeldtheorie, die eine sehr erfolgreiche Beschreibung der Welt ist, behandelt Objekte als Felder und so sind in gewisser Weise alle Gitarrensaiten Feldanregungen. Also ja, Felder sind so real wie möglich, kein bequemes Konstrukt.

F. Der zweite Einwand wäre, können wir also einen Schnappschuss des Photons machen, wie Sie es erwähnt haben?

Denken Sie darüber nach, wie Sie den Schnappschuss der Gitarrensaite machen. Milliarden von Photonen, die von einer Lichtquelle emittiert werden, treffen in jedem Moment auf die Schnur, und mit einer Kamera könnten Sie diese Photonen einfangen. Wenn Ihre Kamera schnell genug ist, können Sie den Unterschied zwischen den Photonen sehen, die die Saite etwa jede Nanosekunde ihrer Schwingung treffen, und das würde Ihnen eine Reihe von Schnappschüssen liefern, die die Saite bei jeder Nanosekunde lokalisieren. Das Erstellen eines Schnappschusses der elektromagnetischen Wellen läuft also darauf hinaus, 1. das Analogon des Lichts zu finden, das verwendet wird, um die Gitarrensaite zu sehen. Wenn Sie ein Teilchen hätten, das klein genug wäre, würden sie, obwohl sie durch ein elektromagnetisches Feld abgelenkt würden, den Pfad des Felds nicht wirklich ändern. Außerdem müssen sie viel kleiner sein als die Abstände elektromagnetischer Wellenlängen (Mikrometer - Nanometer), um diese Abstände in dieser futuristischen Kamera aufzulösen. 2. Eine richtige Kamera. Es muss empfindlich genug sein, um dieses winzige Teilchen zu erkennen, dessen Energie/Masse so klein ist, dass es nicht einmal Licht ablenkt. Zweitens muss es schnell genug sein, um die Zeitdauer des Lichts aufzulösen, die (10^-15 Sekunden) beträgt.

Keine dieser Anforderungen verstößt grundsätzlich gegen physikalische Gesetze. Solche Aliens könnten durchaus existieren, oder wir könnten sie in ferner Zukunft sein.

Die Wellenlänge des Lichts ist also genau wie die Wellenlänge jedes anderen Feldes, einschließlich Gitarrensaiten. Wenn EM-Wellen ein bequemes mathematisches Konstrukt sind, dann ist das alles andere auch.