Rotverschobene Photonenenergie

Ein Photon, das von einer sich zurückziehenden Quelle (Doppler-Rotverschiebung) emittiert wird, hat weniger Energie, wenn es am Standort eines Beobachters erkannt wird. Bitte erläutern Sie den Energieverlust aus der Perspektive der Energieeinsparung.

Siehe auch : physical.stackexchange.com/q/7060/2451 und darin enthaltene Links.
Scheint es relevant zu sein, ob Sie ein einzelnes Photon oder eine Welle, ein Bündel davon, aufnehmen? Kontraintuitiv: Ja, das tut es. Da sich die Quelle der Photonen als Welle wegbewegt - jedoch nicht jedes einzelne Photon, tut es übrigens das Gegenteil.

Antworten (3)

Stellen Sie sich folgendes Szenario vor: Ich sitze in einem Zug, der sich von Ihnen wegbewegt. Ich werfe dir einen Ball zu. Die von Ihnen gemessene Geschwindigkeit des Balls, wenn Sie ihn fangen, ist geringer als die von mir gemessene Geschwindigkeit des Balls, als ich ihn warf. Wo ist die Energie geblieben?

Diese Situation ist genau die gleiche wie die von Ihnen beschriebene Situation der Dopplerverschiebung. In beiden Fällen gibt es kein Problem mit der Energieerhaltung, da die betreffenden Energien in zwei verschiedenen Referenzrahmen gemessen werden. Die Energieeinsparung besagt, dass sich die Energiemenge in einem beliebigen Bezugsrahmen nicht ändert. Es sagt nichts darüber aus, wie die Energie in einem Frame mit der Energie in einem anderen Frame zusammenhängt.

Danke, ich wollte nur versuchen, die Stimme der Vernunft zu liefern. Unterschiedliche Beobachter messen unterschiedliche Energien/Frequenzen/was auch immer, wenn sie dieselben Phänomene betrachten. Darin liegt keine Physik, nur Buchhaltung.
Plus eins, Ted. Beste Antwort, ohne unnötiges Zeug, das nur zusätzlichen Nebel erzeugt. Dieses Gedankenexperiment ist das Photonen-Gegenstück zu den sehr einfachen Spielzeugmodellen, in denen wir untersuchen können, was Energieeinsparung bedeutet - diese Situation nicht zu verstehen bedeutet also, nichts über Energieeinsparung zu verstehen. Die Energie wird erhalten, wenn man sorgfältig ein konsistentes Inertialsystem verwendet, um sie zu messen. Die Behauptung, dass die Energie eines Photons – oder irgendetwas anderem – in zwei verschiedenen Trägheitssystemen gleich sein muss, ist kein Widerspruch zur Energieerhaltung; Es ist ein Missverständnis der Relativität von Energie usw.
+1 dafür. Vor einiger Zeit habe ich eine Antwort auf eine verwandte Frage gepostet , die hier von Interesse sein könnte (in Bezug auf die Idee, dass die Energieerhaltung zwischen verschiedenen Referenzrahmen nicht gilt).
Ich bin mir nicht sicher, ob diese Analogie hilfreich ist. Die Lichtgeschwindigkeit ist unabhängig vom Referenzrahmen konstant, daher sollte die Berechnung der Gesamtenergie eines Photons (über die Wellenlänge) unabhängig vom Referenzrahmen gleich sein. Oh, wie ich mir wünschte, ich hätte Mathe und Physik im College belegt. Ich interessiere mich sehr für Kosmologie, kann aber selbst nicht rechnen.
Die Lichtgeschwindigkeit ist in verschiedenen Referenzrahmen gleich, aber sowohl die Energie als auch die Wellenlänge eines Photons sind in verschiedenen Rahmen unterschiedlich. In der Tat, das ist der springende Punkt!
Diese Antwort ist etwas irreführend. Im Zugbeispiel besteht die logische Möglichkeit, dass wir sowohl das Werfen als auch das Fangen mit einem einzigen Bezugsrahmen abdecken könnten . Bei einer kosmologischen Rotverschiebung besteht diese Möglichkeit nicht; Es gibt keinen Lorentzschen Bezugsrahmen, der sowohl die Emission als auch die Detektion des Photons umfassen kann. Es ist auch irreführend, weil es dazu führen würde, dass das OP glaubt, dass Energie in GR eingespart wird. Es ist nicht. Wir haben skalare Masse-Energie-Maße nur in bestimmten speziellen Arten von Raumzeiten (statisch, asymptotisch flach) erhalten.
1. Es stimmt, dass es für Photonen, die kosmologische Entfernungen zurücklegen, kein Lorentz-Koordinatensystem gibt, das sowohl Emission als auch Empfang umfasst. Aber für kleine Entfernungen gibt es sie, und wir können (und tun!) über die kosmologische Rotverschiebung über kleine Entfernungen sprechen. Selbst für große Entfernungen können Sie (und ich würde behaupten, Sie sollten) die Rotverschiebung so verstehen, dass sie schrittweise aus vielen infinitesimalen Rotverschiebungen aufgebaut wird, von denen jede genau analog zu der von mir beschriebenen Situation ist. (Wenn Sie wissen wollen, was ich darüber im ärgerlichen Detail denke, arxiv.org/abs/0808.1081 )
2. Sie haben Recht, dass Energie in GR nicht konserviert wird. Ich glaube nicht, dass meine Antwort etwas anderes suggeriert, aber es schadet nicht, dies ausdrücklich zu sagen.
Wenn die Energie in GR nicht konserviert wird, wie können wir dann sagen, dass es physikalisch streng ist? Jede Theorie, in der Energie nicht erhalten wird, würde die Schaffung freier Energie ermöglichen. Wie verhindert GR dies?
Im Ernst: Wenn Sie eine leichte Kanone in Richtung eines schnellen Zuges abfeuern, ergibt die kinetische Energie, die die Kanone der Geschwindigkeit ihres transportierenden Zuges verdankt (ihre Kraft ist mit ihr), eine entgegengesetzte Rotverschiebung. Wird die Lichtkugel zu Samt, wenn Sie nach vorne schießen, wird sie zu Rot, wenn Sie nach hinten schießen? Da C nicht überschüssig sein kann, wohin fließt die Energie einer bewegten Waffe im Vergleich zu einer schlafenden in Ruhe?

Wenn es sich um eine Gravitationsrotverschiebung zu einer ersten, nicht strengen Ordnung handelt, ist der Energieverlust darauf zurückzuführen, dass es sich in einem Gravitationsfeld bewegt und somit potenzielle Energie gewinnt, während es kinetische Energie verliert.

Wenn es sich um eine Rotverschiebung aufgrund der tatsächlichen Bewegung des Objekts handelt, wird die bei der Rotverschiebung verlorene Energie an das Objekt weitergegeben, das die Emission durchführt, da Energie und Impuls im Emissionsprozess erhalten bleiben - es handelt sich um eine Energieübertragung aufgrund des Rückstoßes.

Ihre Argumentation zum Rückstoß ist in Bezug auf die Frage des Fragestellers völlig falsch. Auch die Aussage über die gravitative Rotverschiebung ist falsch. Es gibt keine potentielle Energie für ein Photon wo m = 0 .
@space_cadet: klassisch stimmt das. In GR ist es jedoch nicht – man erhält ein perfekt definiertes „Gravitationspotential“ beispielsweise in der Schwarzschild-Lösung für Nullgeodäten – der Energieverlust von Photonen in einem Gravitationsfeld war eines von Einsteins anfänglichen Gedankenexperimenten eigentlich für GR. Und der Rückstoßeffekt trifft voll zu, denn wenn man den Rückstoßeffekt außer Acht lässt, bleiben beim Emissionsvorgang weder Energie noch Impuls erhalten.
Ich entschuldige mich @Jerry. Ich war bei der Beurteilung Ihrer Antwort voreilig. Außerdem war meine eigene Antwort weit vom Ziel entfernt.
@space_cadet: keine Sorge. :)
Der erste Absatz ist nicht ganz richtig. In einer homogenen kosmologischen Raumzeit verschwindet das Gravitationsfeld für einen relativ zur Hubble-Strömung ruhenden Beobachter symmetrisch. Der zweite Absatz ist wahr, aber nicht relevant. Wir sind uns alle einig, dass in dem kleinen Fleck der Raumzeit, der die Emission des Photons umgibt, Energie erhalten bleibt. Die Frage ist, was zwischen diesem Zeitpunkt und dem Zeitpunkt passiert, an dem das Photon in kosmologischer Entfernung von der Quelle empfangen wird.
@ Ben Crowell: "Das Gravitationsfeld verschwindet durch Symmetrie" - nein. Die Staubgleichung der Zustands-FRW-Lösung ist zum Beispiel identisch mit der Lösung für einen kollabierenden Staubstern endlicher Größe. Man würde nicht sagen, dass das Gravitationsfeld dort verschwindet. Die FRW-Lösung ist kein Minkowski-Raum, daher verstehe ich nicht, wie Sie argumentieren können, dass das Gravitationsfeld verschwindet.

Die Rotverschiebung ist auf die Expansion des Universums zurückzuführen. Nicht nur der Raum, sondern die Raumzeit. Es wird also nicht nur der Raum zwischen Quelle und Betrachter gedehnt. Das Licht selbst wird ebenfalls gestreckt. Das bedeutet, dass ein 10-minütiger Lichtstoß auf einen 11-minütigen Lichtstoß gestreckt wird. (Nur ein Beispiel). Die zusätzliche Lichtminute bedeutet eine Verringerung der Intensität, so wie das Dehnen eines Stücks Kitt es dünner macht. Die Gesamtenergie bleibt konstant, aber über einen längeren Zeitraum verteilt.

Das Volumen dehnt sich aus, die Energie bleibt gleich, nimmt aber kein größeres Volumen ein, die Energiedichte wird reduziert.
"aber nimmt jetzt größeres Volumen ein" . Ja, genau das meinte ich.
Rotverschobene Photonenenergie
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