Warum wird Licht in einem magnetischen und/oder elektrischen Feld nicht polarisiert?

Ich bin mit dem Faraday-Effekt vertraut , aber ich bin immer noch verwirrt darüber, warum sich die elektrischen und/oder magnetischen Komponenten des Lichts nicht auf natürliche Weise mit einem magnetischen oder elektrischen Feld (in einem Vakuum) ausrichten und dadurch polarisiert werden.

Ich vermute, die Antwort darauf ist, dass elektromagnetische Wellen linear sind. dh Licht interagiert nicht mit elektrischen und magnetischen Feldern; Licht geht durch Licht, Licht geht durch elektrische Felder und magnetische Felder.
Nur durch Überlagerung von Wellen: Wenn Sie ein elektrisches oder magnetisches Feld in einem Bereich des Raums haben und Licht durch ihn hindurchgeht, summieren sich die Felder innerhalb dieses Bereichs und sind dieselben wie am Anfang, wenn sie diesen Bereich verlassen.

Antworten (6)

Der Faraday-Effekt ist dispersiv, also kohärent und reversibel. Es optimiert die Entwicklung des Lichts, verursacht aber keine "Entspannung". Im Allgemeinen kann ein System ohne eine Art Dissipation (z. B. Absorption) keinen Grundzustand erreichen, wie etwa die Ausrichtung auf ein Magnetfeld.

Die lineare Algebra, um darüber nachzudenken, ist wie folgt: Betrachten Sie orthogonale Lichtzustände, wie z H und v lineare Polarisationen. Nach kohärenter Evolution bleiben sie orthogonal, sonst wäre die Evolution nicht umkehrbar (bei gegebenem Endzustand kann der Anfangszustand eindeutig bestimmt werden). Diese Logik zeigt uns die Bandbreite möglicher Optionen für eine kohärente Evolution. Die Polarisation kann sich drehen (wie beim Faraday-Effekt), sie kann von linear zu elliptisch oder kreisförmig gehen (wie bei einer Viertelwellenplatte) oder sie kann einer Spiegelreflexion unterzogen werden (wie bei einer Halbwellenplatte). Natürlich ist auch jede Kombination dieser Optionen gültig. Aber es kann sich nicht ausrichten, ohne „Informationen zu verlieren“, was einen absorbierenden Polarisator erfordern würde. (Was ich gerade beschrieben habe, ist die U ( 2 ) Gruppe unitärer Matrizen auf 2 × 2 komplexe Vektoren.)

Hinweis: Wenn ich "reversibel" sage, meine ich kohärent oder einheitlich. Ich beziehe mich nicht auf die Zeitumkehrsymmetrie, die der Faraday-Effekt bricht.

Bearbeiten Wenn wir nach einer Möglichkeit suchen, wie sich Licht auf das Magnetfeld ausrichten kann, müssen wir die Information über die ursprüngliche Polarisation des Lichts verlieren. Der Faraday-Effekt ist außerresonant und kann dies nicht erreichen. Eine Möglichkeit, dies zu realisieren, ist der Dichroismus , bei dem eine Polarisation (normalerweise kreisförmig) des Lichts absorbiert wird. Dieser Prozess ist eindeutig nicht kohärent/einheitlich, weil er die Information darüber löscht, was die ankommende Polarisation ist. Nach der Absorption kann das Licht mit dem richtigen Aufbau auf das Magnetfeld ausgerichtet werden. (Ich kann ein explizites Beispiel mit Atomen geben, wenn Sie möchten.)

Entschuldigung, wenn dies meinen Kommentar wiederholt.

Ich denke, die nächste logische Frage ist: Warum erfordert Polarisation Dispersion?
Was meinst du mit "Entspannung"?
Insbesondere der Faraday-Effekt ist eine außerresonante Anregung, daher nur dispersiv. Dichroismus ist ein verwandter Effekt, bei dem sich die Lichtpolarisation durch Absorption ändert oder dreht - das meine ich mit "Entspannung". Der Dichroismus ist übrigens ein hervorragendes Beispiel, bei dem sich das Licht mit dem Magnetfeld ausrichtet: Eine zirkulare Polarisation wird absorbiert und die andere bleibt bestehen. „Informationen“ über den ursprünglichen Zustand gehen verloren. Um diese Effekte zu unterscheiden, beziehe ich mich auf die Art und Weise, wie Licht dissipiert, absorbiert oder inkohärent gestreut werden kann.

Licht wird in Gegenwart eines Magnetfelds polarisiert . Auf diese Weise werden einige dreidimensionale Karten der Magnetfeldlinien über bestimmten Oberflächenstrukturen der Sonne gewonnen, indem die Polarisationsrichtung des Lichts einer bestimmten Infrarotlinie beobachtet wird, die von der Photosphäre ankommt. Ich erinnere mich, dass es ein Artikel in Nature von Krupp und Collados und anderen war. Es ist eine relativ neue Technik (aus dem letzten Jahrzehnt, glaube ich), weil es bis vor kurzem technisch schwierig war, die Polarisation des Lichts der Sonne zu beobachten.

Siehe diesen Link für das Papier (es ist wirklich ein Brief). Eine beliebte Beschreibung der Technik finden Sie hier .

Aus meiner kurzen Durchsicht des Artikels ist unklar, ob das Magnetfeld innerhalb von Sonneneruptionen gemessen wurde. Laut den anderen Antworten muss es innerhalb der Sonneneruptionen gewesen sein.

@QuantumDot Sie scheinen der Antwort auf diese Frage nahe zu sein. Weder die elektromagnetische Feld-Lagrange-Funktion noch die Eichtheorien fundamentaler Wechselwirkungen beinhalten Wechselwirkungen zwischen Photonen und elektrischen oder magnetischen Feldern. Ein elektrisches oder magnetisches Feld alleine repräsentiert sehr niederenergetische Photonen. Zu sagen, dass ein Photon mit einem magnetischen oder elektrischen Feld interagiert, würde darauf hindeuten, dass Photonen untereinander interagieren. Photon-Photon-Wechselwirkungen sind über zwei Fermion-„Quadrat“-Schleifen möglich, wie zum Beispiel e-e+. Außerdem haben Photonen weder ein elektrisches noch ein magnetisches Dipolmoment. Daher ist Ihr Vorschlag richtig, dass Photonen ein elektrisches oder magnetisches Feld ungestört passieren. Ich habe deinen Kommentar um 1 erhöht.

Wollen Sie damit sagen, dass ein magnetischer Dipol und/oder ein elektrischer Monopol erforderlich ist, um mit einem elektrischen oder magnetischen Feld zu interagieren? Wie können Magnetfelder (in EM-Wellen) ohne Dipole existieren?
@JoeHobbit Das ist richtig. Die elektromagnetische Kraft (also magnetische und elektrische Felder) koppeln nur an elektrische Ladungen oder magnetische Pole in Form von Dipolen wie zB der Magnetkompass. Aus diesem Grund sind Neutrinos schwer zu erkennen, da sie nicht mit dem elektromagnetischen Feld interagieren. Auch die Art und Weise, wie geladene Teilchen wie e+ und e- in Blasenkammern nachgewiesen werden, werden vom starken Magnetfeld in entgegengesetzte Kreisbewegungen versetzt und ergeben die berühmten V-förmigen Bahnen. Ich hoffe das hilft?
Eine Sache trennte Ihre Antwort von den anderen: Ihre erwähnte, dass ein Dipol / Monopol, dem es an Licht mangelt, erforderlich ist, um mit einem elektrischen oder magnetischen Feld zu interagieren. Ich hätte fast die Antwort von Anna v gewählt, um Klarheit über das außergewöhnliche Ereignis der Delbruk-Streuung zu erhalten.
@JoeHobbit Vielen Dank dafür. Der Punkt ist, dass wir alle etwas lernen, und das ist weitaus wertvoller.
@John, wenn wir über den Faraday-Effekt sprechen, ist es völlig falsch zu sagen, dass es keine Wechselwirkung gibt. Der springende Punkt ist, dass Sie Materialien verwenden können, um magnetische Gleichfelder und optische Felder zu koppeln. Wenn Sie sich auf ein Vakuum beschränken, entgehen Ihnen die meisten interessanten Phänomene des Elektromagnetismus, und ich wäre arbeitslos.
@emart Danke für deinen Kommentar. In Gegenwart eines Stoffes kann natürlich Licht polarisiert werden, dazu braucht es kein äußeres Magnetfeld wie bei Polarisationsfiltern. Sie haben jedoch Recht, in Gegenwart von Materie löst das Magnetfeld andere Effekte im Material aus, ein solides Beispiel, das aus der Standard-EM-Theorie bekannt und interessant ist. Die Diskussion konzentrierte sich auf die Frage, ob ein Magnetfeld allein Licht polarisieren kann. In diesem Fall kann man sehr starke Magnetfelder in Betracht ziehen, in denen $e^+-e^- Paare entstehen können. Das hat interessante Effekte. Grüße

Ich denke, der Kern der Sache liegt in deiner:

warum sich die elektrischen und/oder magnetischen Komponenten des Lichts nicht natürlich ausrichten

Was bedeutet "ausrichten" außer einer Interaktion?

Die Frage "Interagieren Photonen mit einem elektrischen oder magnetischen Feld im Vakuum" ? muss zunächst beantwortet werden, bevor auf die Art der Interaktion im Detail eingegangen wird.

Die Antwort auf letzteres lautet "Ja, mit sehr sehr geringer Wahrscheinlichkeit". Sie wird Delbruck-Streuung genannt und wurde experimentell beobachtet.

Es ist ein reiner QED-Effekt, er existiert nicht in der klassischen elektromagnetischen Theorie und die Messungen werden als experimentelle Bestätigung von QED verwendet. Es ist ein Beweis für Vakuumpolarisation in den starken elektrischen Feldern von Kernen.

Die Photonen interagieren also mit den Feldern durch QED-Diagramme höherer Ordnung und nicht durch einfache höhere Ordnung, die niedrigste zulässige Ordnung ist die sechste Ordnung, was diese Wechselwirkung sehr unwahrscheinlich macht. Es ist klein in den starken Feldern um Kerne herum, es ist verschwindend klein in den entfernten kohärenten Feldern von Atomen, was ein elektrisches oder magnetisches Feld im Vakuum ist. Um irgendwelche Felder zu haben, braucht man die elektrischen und magnetischen Quellen von Atomen.

Die "unendlich geringe Interaktionswahrscheinlichkeit" negiert das "Natürliche" in Ihrer Frage. Ein Photonenstrahl richtet sein elektrisches oder magnetisches Feld nicht auf die Richtung elektrischer und magnetischer Felder im Vakuum aus, da die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit praktisch nicht vorhanden ist.

Du hast Recht Anna, solche Effekte sind möglich und messbar. Sie wurden jedoch in der Diskussion von John im Kontext der Vakuumpolarisation erwähnt. Ich glaube, Ihr Detail bringt Ihnen +1.

Ich denke, aus Sicht der Photonik kann Licht oder Photon nur durch Ladung und Schwerkraft interagieren. Betrachten Sie Licht als bosonische Schwingung der Raumzeit. Ladung ist die Quelle für solche Schwingungen und auch für Streuung und Absorption verantwortlich. Die Schwerkraft beeinflusst das Licht, weil die Schwerkraft die Krümmung der Raumzeit selbst ist.

Aus einem reinen Wellenbild wird jeder Lichteffekt auf den Effekt der Welleninterferenz zurückgeführt: Die Streuung ist die Welle, die von Dipolen in Materie erzeugt wird, die von einer einfallenden Welle angeregt werden; Absorption ist einfach die gestreute Welle, die in Bezug auf die einfallende phasenverschoben ist, Nichtlinearität ist anharmonische Streuung usw. usw. Die Wellen selbst addieren sich einfach nach dem Prinzip der Interferenz, ohne die inneren Eigenschaften der anderen zu ändern. Polarisation ist eine solche Eigenschaft. Daher ändert Licht, das sich mit einem anderen Licht addiert, die Polarisation von keinem der beiden, obwohl sie eine stehende Welle oder Schwebung bilden können.

Äh ... nein. Eine "Vibration der Raumzeit" wäre eine Gravitationswelle, und wenn Sie sie in Quantenbegriffen betrachten wollten, würden Sie nach Gravitonen suchen. Ein Photon ist eine Anregung des elektromagnetischen Feldes.
Doch was ist ein "elektromagnetisches Feld". Wenn man zunächst ein Photon als elektromagnetisches Feld erklärt, kann man nicht erklären, warum EM-Wellen und Gravitationswellen die gleiche Geschwindigkeit haben, die unabhängig von der Raumzeit ist; Zweitens ist es einfach ein Zirkelschluss, der im Wesentlichen nichts erklärt. Indem man Photonen als bosonische Schwingung in der Raumzeit betrachtet (ähnlich wie in der Stringtheorie), hilft dies zumindest auf intuitiver Basis, ihre Überlagerung und Ausbreitungsnatur zu verstehen. Die vollständige Theorie finden Sie in Xiaogang Wens Spinnnetztheorie. (am MIT)

Licht wird in einem Magnetfeld polarisiert. Das Magnetfeld eines Schwarzen Lochs wurde aufgrund der Polarisation von Licht nachgewiesen. Lesen Sie diesen Artikel: http://www.iflscience.com/space/black-holes-powerful-magnetic-field-observed-first-time

Warum wird Licht in einem magnetischen und/oder elektrischen Feld nicht polarisiert?
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