Was kann die Frequenz eines Photons ändern?

Ich habe diese Frage gefunden: Ist es möglich, auf ein Lichtteilchen Kraft auszuüben?

Wie es heißt, kann die Schwerkraft die Frequenz des Lichts ändern, indem sie seinen Impuls ändert. Meine Frage betrifft andere Phänomene, die die Lichtfrequenz ändern könnten, und wie in der Antwort dort kommentiert, gibt es zwei Fälle:

  1. Das Photon bleibt intakt – das heißt, es ändert sich nur seine Frequenz.

  2. Ein Prozess, der ein Photon verbraucht und ein anderes mit einer anderen Frequenz erzeugt.

Ich frage mich, ob die Ausbreitung von Licht von einem Medium zum anderen seine Frequenz irgendwie ändern könnte und ob wir allgemein andere Phänomene finden können (eines davon ist die Schwerkraft), die die Frequenz eines Photons ändern könnten.

Einige Vorschläge aus der Antwort auf die genannte Frage sind, dass die Frequenz durch Raumausdehnung, spontane Paarbildung, Streuung und Rot/Blau-Verschiebungen verändert werden kann. Wenn Sie also diese Vorschläge in Bezug auf die beiden oben genannten Fälle näher erläutern könnten, würden Sie mir sehr helfen.

Das heißt, ist es möglich, die Lichtfrequenz in Bezug auf die beiden oben genannten Fälle zu ändern, und gibt es Phänomene wie die erwähnten, die eine solche Änderung hervorrufen könnten?

Hinweis: Ich habe diese Frage auch gefunden , aber ich bitte um eine allgemeinere Behandlung als nur Licht, das sich in der Luft ausbreitet, und ich befasse mich mit Phänomenen, die solche Auswirkungen haben könnten.

Können Sie Ihre Frage konkretisieren? Es gibt nur ein Fragezeichen in Ihrem Beitrag, und zwar im Titel des älteren Beitrags, auf den Sie verlinkt haben.
@ThePhoton Du hast Recht, ich wurde abgelenkt. Ich habe eine Ergänzung vorgenommen. Ist die Frage jetzt besser formuliert? Danke.
Wie streng fordern Sie das the photon remain intact? Muss der Prozess den exakten Quantenzustand des Systems bewahren? Oder interessieren Sie sich nur für die klassischen Eigenschaften? Wenn letzteres der Fall ist, kann die stimulierte parametrische Abwärtskonvertierung dies tun (aber sie verwandelt Überlagerungen in verschränkte Zustände). Im ersteren Fall können Sie in einen Exziton-Polariton-Hohlraum einkoppeln und ihm erlauben zu thermalisieren, aber die Rotverschiebung ist winzig.
Wenn Licht die Frequenz ändert, ob Sie es als Änderung der Frequenz eines Photons betrachten oder das erste entfernen und ein anderes mit der neuen Frequenz erzeugen, liegt größtenteils bei Ihnen. Es könnte sinnvoll sein, es sich als ein einzelnes Photon vorzustellen, wenn der Prozess adiabat ist.
Der Prozess der Quantenfrequenzumwandlung kann zumindest im Prinzip einfach die Frequenz eines einzelnen Photons ändern, während seine Quanteneigenschaften erhalten bleiben.
@jayann Ist die Quantenfrequenzumwandlung ein Prozess, der in der Natur vorkommt, oder ist es ein Prozess und ein Phänomen, das in Labors erzeugt wird?
@ConstantineBlack: Alle mir bekannten Implementierungen von QFC wurden als nichtlineare Prozesse realisiert, die spezielle Materialien und intensive optische Impulse erfordern. Licht-Materie-Wechselwirkungen dieser Art können in der Natur fast nie von selbst auftreten, also ja, es ist so ziemlich ein Laborphänomen.
Bezugnehmend auf den von Daniel Sank erwähnten Aspekt der Frage: Die Änderung der Frequenz, also der Energie, scheint "irgendwo" zu passieren - wohin geht die Energie, da es keine Absorption durch ein Elektron gibt? Ändert sich das elektromagnetische Feld? Wenn das Photon bei der gravitativen Rotverschiebung verliert, wer gewinnt dann?

Antworten (4)

Das Photon ist ein Elementarteilchen .

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Frequenz und damit die Energie des Photons zu messen, da seine Energie E=h*nu ist .

  1. unter Verwendung eines Beugungsgitters, das die Wellenlängen in einem Lichtstrahl wie folgt analysiert:

Emission Eisen

Dies ist das Spektrum von Eisen.

Jede Linie besteht aus Millionen von Photonen mit dieser Frequenz. Wenn man jeweils nur ein Photon zum Gitter schickte, würde es an der richtigen Stelle für seine Wellenlänge einrasten und daher wäre seine Frequenz bekannt.

2) Wenn man seine Wechselwirkungen mit anderen Elementarteilchen kennt, dann ist aus der Energieerhaltung seine Energie bekannt und damit auch seine Frequenz. Dies geschieht in der Teilchenphysik, wo das Photon mit anderen Elementarteilchen interagieren und wie am blauen Himmel streuen kann , oder durch Compton-Streuung , wobei es einen Teil seiner Energie und seines Impulses an einem Elektron oder Kern verliert und seine Frequenz ändert. Es kann auch vollständig verschwinden, wenn es Paare anderer Elementarteilchen bildet.

Beugungsgitter haben Veränderungen in den Spektren von Sternen und Galaxien bekannter Atome im Vergleich zu denen auf der Erde gezeigt, mit Blauverschiebungen und Rotverschiebungen .

Die Analyse dieser Spektren zeigt, dass die Frequenzänderung entweder auf die Geschwindigkeit des Sterns/der Galaxie in Bezug auf uns oder auf die Wirkung einer Gravitationsquelle zurückzuführen ist. Letzteres wurde in einem Erdexperiment eingemessen . Wenn diese berücksichtigt werden, hat eine allgemeine Rotverschiebung, die zeigt, dass sich alles von der Erde zurückzieht, zu Hubbles Gesetz und der Notwendigkeit eines expandierenden Universums geführt.

Hallo. Danke für die Antwort. Darf ich fragen: Ist die Streuung in der Atmosphäre nicht eine Änderung der Wellenlänge (zumindest in der klassischen Elektrodynamik) und wenn ja, gibt es eine Trennung zwischen CED und QM oder irre ich mich irgendwie? Danke noch einmal.
Wenn Sie den bereitgestellten Link lesen, werden Sie sehen, dass das Blau dominant wird, weil es mit höherem Querschnitt elastisch gestreut wird auf die Erde in einem großen Winkel in Bezug auf die Richtung des Sonnenlichts liegt überwiegend im blauen Ende des Spektrums.“ Es gibt keine Diskrepanz, da QM sich um individuelle Streuungen kümmert (je mehr und desto weniger in der Phrase)
Da sich die Frequenz bei der Rayleigh-Streuung nicht ändert, scheint es keinen Impulsaustausch zu geben (Newtons Actio/Reactio). Ich frage mich, was die Änderungen für das streuende Teilchen sind; das sollte nur eine Richtungsänderung sein. Wenn das gestreute Teilchen nur die Richtung ändert (keine Änderung von c, Geschwindigkeit), kann dies zu einer Änderung der Geschwindigkeit oder sogar der Masse/Energie auf der Seite des streuenden Teilchens führen? Würde das eine andere Frage ergeben?
@PeterBernhard Hinweis (Wiki erster Absatz) "elastische Streuung von Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung", "Licht" ist eine klassische elektromagnetische Welle. Wenn die Frage in Teilchen und Felder hinuntergeht, tritt die Frage in die Quantenmechanik ein, und viele verschiedene Beiträge von Feynman-Diagrammen können eintreten, und Konzepte des Massenschwerpunkts von Photon und Oartikel/Feld. es ist nicht einfach
Danke: Wenn verstanden wurde, dass die "Richtung" des Photons in eine "andere" Energie des brechenden Teilchens oder Massenzentrums übertragen werden kann, lassen Sie es mich einfach wissen. Ebenso, wenn die Winkeländerung keine Energie ausmacht. Übrigens: Der erste Link, den du gibst, scheint kaputt zu sein.
@PeterBernhard Ich kann qualitativ antworten: Jede Quantenteilchen-Teilchen- oder Teilchenfeld-Wechselwirkung im Massenzentrum wirkt sich auf die vier Vektoren in jedem anderen System aus, das man untersuchen möchte, zum Beispiel im Laborsystem. ABER für die Raleigh-Streuung wird der Effekt zu klein sein, innerhalb der Breiten der Wechselwirkungen, nicht messbar.
Ich glaube, dass Effekte nicht keine sind, aber nicht gut genug (zB ein von der Erde abgelenktes Photon ist nicht gut genug, um die Erde anzuziehen). Hilfreicher Rat - lässt mich Folgendes vermuten: Diese vier Vektoren sind reine Quanten-m. keine mechanischen. Beziehen Sie also keine Energie/Masse mit ein, fühlen Sie sich frei zu korrigieren. Das würde umgekehrt mein Verständnis bestätigen, dass die Änderung der reinen Richtung des Photons "frei" (keine radial erzwungene Masse) in Bezug auf Masse, also Energie, ist: nicht anders als die Änderung der Flugbahn durch Gravitation.
@PeterBernhard du liegst falsch. die vier Vektoren sind die relativistisch korrekten Energie- und Impuls- und Drehimpulsvektoren hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Relativ/vec4.html . Es ist wichtig, die spezielle Relativitätstheorie zu kennen, um Teilchenwechselwirkungen auf der Quantenebene zu verstehen
Danke schön. Entschuldigung für meine letzte schlechte Typisierung. Meine Vermutung war also falsch.

In Bezug auf Ihre Frage: Kann sich die Frequenz des Lichts bei der Ausbreitung von einem Medium zum anderen ändern, lautet die Antwort nein. Ich habe eine frühere Antwort auf eine ähnliche Frage gefunden, die Ihnen helfen könnte:

Stellen Sie sich das so vor: An der Grenze / Schnittstelle des Mediums ist die Anzahl der gesendeten Wellen die Anzahl der Wellen, die Sie auf der anderen Seite fast sofort empfangen. Die Frequenz ändert sich nicht, da sie von der Ausbreitung der Wellen über die Grenzfläche abhängt.

Aber Geschwindigkeit und Wellenlänge ändern sich, da das Material auf der anderen Seite unterschiedlich sein kann, so dass es jetzt eine längere/kürzere Wellengröße haben kann und sich daher die Anzahl der Wellen pro Zeiteinheit ändert.

Photonenausbreitung

Danke. Aber gibt es dafür einen mathematischen Beweis unter Berücksichtigung von Reflexion und Übergang (wir sprechen hier natürlich von klassischer Elektrodynamik)?
Ich denke, es folgt aus der Kontinuität des elektrischen Felds (unter der Annahme, dass keine Ladung auf der Oberfläche vorhanden ist) und vielleicht einigen Fourier-Argumenten
Das Zitat enthält einige Widersprüche, um dies zu unterstützen: "... Frequenz ändert sich nicht" (wegen Lichtreisen), dann "Geschwindigkeit und Frequenz ändern sich", weil das Material anders ist. Ich wünschte, es gäbe in diesem Zitat einen Hinweis auf ein Lehrbuch. Hast du andere Ressourcen gefunden?

Die Schwerkraft kann die Frequenz ändern. Ein Lichtstrahl, der auf einen massiven Körper zugeht, wird durch das Gravitationsfeld blauverschoben. Wenn es einem Gravitationskörper entkommt, dann ist es rotverschoben.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Hallo. Vielen Dank für die Antwort. Ist dies ein Phänomen der klassischen Feldtheorie - Relativitätstheorie oder der Quantenmechanik oder letztlich beides (und wenn ja, gibt es Unterschiede)?

Hier müssen wir mit der Grundidee der Energieeinsparung vorsichtig sein, während wir denken, dass Photonen intakt bleiben und sich die Frequenz ändert oder dass ein Prozess ein Photon verbraucht und ein anderes mit einer anderen Frequenz erzeugt. Die Frequenz eines einfachen Pendels hängt nur von der Länge der Saite und der Änderung der Schwerkraft ab. Im Photonenfall wurde gesagt, dass die Frequenz auch vom Gravitationsfeld abhängt!

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