Was meint mein Lehrer, wenn er sagt, dass alle elektromagnetischen Wellen sich mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten, wenn sie durch ein Vakuum reisen? Wenn Sie dürfen, antworten Sie bitte so einfach wie möglich.
Elektromagnetische Wellen umfassen sichtbares Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlen und so weiter. Was diese verschiedenen Lichtbänder unterscheidet, ist ihre Frequenz (oder Wellenlänge). Allen gemeinsam ist jedoch, dass sie sich im Vakuum mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen.
Der Grund für die Qualifizierung „im Vakuum“ liegt darin, dass sich EM-Wellen unterschiedlicher Frequenzen oft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch Material ausbreiten.
Die Geschwindigkeit einer Welle , seine Wellenlänge und Frequenz sind alle verwandt gem . Also wenn für alle EM-Wellen gleich ist, dann wird, wenn Sie (sagen wir) die Frequenz einer Welle verdoppeln, ihre Wellenlänge halbiert.
Angenommen, Sie gehen die Straße entlang. Du trägst einen kleinen Stock bei dir. Nur zum Spaß beschließen Sie, den Stick rhythmisch mit einer Geschwindigkeit von einer Auf-/Abwärtsbewegung pro Sekunde auf und ab zu bewegen (Sie sind ein bisschen ein olympischer Experte im Stockwackeln, daher ist es sehr genau und zuverlässig). Ihr Stick wackelt bei 1Hz. Die Geschwindigkeit, mit der Sie die Straße hinuntergehen, hängt nicht mit der Geschwindigkeit zusammen, mit der Sie den Stock wackeln. Sie können die Straße mit jeder beliebigen Geschwindigkeit hinuntergehen und trotzdem mit 1 Hz wackeln.
Hast du es jetzt?
Die Übertragungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle hängt nicht von der Frequenz/Wellenlänge ab.
Nicht wahr. Schlechte Analogie. Erstens verwenden Sie in Ihrem letzten Satz Frequenz und Wellenlänge synonym, was sie nicht sind. Frequenz ist die (Oszillationsrate) in einem Photonenteilchen. Wie das Schwingen des Stocks ist seine Frequenz konstant. Die Wellenlänge ist jedoch ein Maß für die Frequenz innerhalb der Geschwindigkeitsbeschränkungen. Wenn die Frequenz konstant ist und sich die Geschwindigkeit ändert, muss sich die Wellenlänge ändern. Die Frequenz wird also nicht von der Geschwindigkeit beeinflusst, die Wellenlänge jedoch. Das Stabbeispiel zeigt die Frequenzkonstante, aber nicht die Wellenlänge. Ein Beispiel für eine Achterbahnstrecke zeigt die Wellenlängenkonstante. Wenn eine Achterbahn langsamer wird, muss sie immer noch denselben Pfad durchlaufen, um zum nächsten Kamm zu gelangen. Es dauert länger, dorthin zu gelangen, aber die Welle hat immer noch dieselbe Form und Entfernung. Aber damit das funktioniert, ist es s Frequenz oder Energie nimmt ab. In der Welt der Wellenteilchen passiert das nicht. Daher zeigt uns das Achterbahnbeispiel die Wellenlänge nur für theoretische Zwecke als Konstante, funktioniert aber nicht in der Welt der natürlichen Wellenteilchen. Nur die Energie oder Frequenz eines Teilchens ist konstant. Dies schreibt vor, dass Geschwindigkeit und Wellenlänge sich ändern können.
Damit etabliert. Betrachten wir das Szenario von Photonen, die durch ein Vakuum reisen. Im Vakuum stört nichts die Geschwindigkeit. Wenn die Geschwindigkeit konstant ist und wir bereits festgestellt haben, dass die Frequenz konstant ist, dann ist die Wellenlänge dieses Teilchens ebenfalls eine Konstante.
Nun, wenn wir Materie einführen. Dies bewirkt, dass die Geschwindigkeit oder Flugbahn des Partikels oder beides geändert wird. Das Ändern der Geschwindigkeit ändert seine Wellenlänge. Eine Änderung seiner Flugbahn führt dazu, dass seine Wellenlänge in dieser Richtung auf Null geht. In beiden Fällen wird Energie übertragen und freigesetzt, was zu der Vorstellung führt, dass ein Photon ein Teilchen ist. Aber gleichzeitig, sobald es sich wieder ungehindert im Vakuum bewegen kann, kehrt es zu seiner gleichen Wellenlänge und Geschwindigkeit zurück, die für eine reine Welle charakteristisch ist.
Dieses Konzept, dass ein Photon eine Welle ist, ist der Grund, warum wir glauben, dass es im Vakuum die gleiche Geschwindigkeit haben muss. Die einfache Antwort ist, dass wir nicht wirklich wissen, warum sie alle mit der gleichen Geschwindigkeit reisen. Wir wissen nur, dass dies eine Eigenschaft einer Wellenform von Energie ist. Genauso wie die Masse eine Eigenschaft eines Teilchens ist. Es ist einfach.
R. Rankin