Was passiert mit einem Photon, wenn es seine gesamte Energie verliert?

Ein Photon kann nicht seine gesamte Energie durch Compton-Streuung verlieren, da dies die Erhaltung des Viererimpulses verletzen würde. Stellen Sie sich ein Photon mit vier Impulsen vor$(p,\vec p)$gibt seine gesamte Energie (und damit seinen gesamten Impuls) an ein Elektron mit vier Impulsen ab$(m,0)$, In$c=1$Einheiten. Dann wäre durch Erhaltung des Viererimpulses der neue Viererimpuls des Elektrons$(m+p,\vec p)$. Aber die Berechnung der Masse, die diesem Viererimpuls entspricht, ergibt$m=\sqrt{m^2+2mp} > m$. Da die Masse eines Elektrons festgelegt ist, ist dies ein Widerspruch und kann daher nicht auftreten.

Für jedes Photon gibt es einen Bezugsrahmen, in dem es jede gewünschte Energie hat. Beliebig hoch oder niedrig. Es kann eine so lange Wellenlänge und eine so niedrige Energie geben, dass Sie sie nicht erkennen können. Aber es ist immer noch ein Photon.

Wenn es eine willkürlich niedrige Energie und einen Impuls hat und ein in Ihrem Rahmen ruhendes Teilchen streut, wird es das Teilchen nicht sehr stark ablenken. Aber ein Teilchen, das stromaufwärts hineinläuft, sieht es als Doppler-Verschiebung zu einer kürzeren Wellenlänge. Es gibt eine Teilchengeschwindigkeit, die dem Photon eine beliebig kurze Wellenlänge und hohe Energie verleiht.

Ein Bezugsrahmen, wo das Photon hat$0$Energie ist eine, wo sie hat$0$Frequenz. Das heißt, die Phase ist zu jedem Zeitpunkt unveränderlich. Das bedeutet, dass sich das Referenzsystem so schnell wie das Photon bewegen müsste. Da sich das Photon mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, ist dies unmöglich. Einen solchen Bezugsrahmen gibt es nicht.

Ein weiterer interessanter Ort ist ein Gravitationsbrunnen. Auf der Oberfläche eines Planeten vergeht die Zeit langsamer. Ein Beobachter auf dem Planeten sieht in einem Photon eine hohe Frequenz und eine kurze Wellenlänge.

Wenn das Photon nach oben wandert, hat jeder Beobachter, dem es an der Spitze eines Turms begegnen kann, eine schnellere Uhr. Dieser Beobachter misst das Photon mit einer niedrigeren Frequenz und einer längeren Wellenlänge.

Bei einem Schwarzen Loch wird dieser Effekt extrem. Je näher man dem Ereignishorizont kommt, desto schwieriger ist es, einen Bezugsrahmen wie eine Planetenoberfläche aufrechtzuerhalten. Es wird gemessen, dass ein Photon, das auf einem Planeten mit solch extrem hoher Schwerkraft emittiert wird, dieselbe Frequenz hat wie auf einem Planeten mit geringerer Schwerkraft. Ein Beobachter, der weit von dem Planeten entfernt ist, wird jedoch sehen, dass die Zeit auf dem Planeten mit hoher Schwerkraft extrem langsam vergeht. Er würde das Photon extrem rotverschoben sehen, wenn es zu ihm aufsteigen würde.

Am Ereignishorizont ist es unmöglich, einen planetenähnlichen Referenzrahmen aufrechtzuerhalten. Die Zeit würde anhalten. Ein solches Photon wäre unendlich rotverschoben und hätte$0$Energie. Es würde auch unendlich lange dauern, bis es ankommt, und sich wie durch langsame Regionen bewegen.

Innerhalb des Ereignishorizonts führen alle Trajektorien zur Singularität im Zentrum. Das Photon würde niemals den Ereignishorizont erreichen.

Es kann Ihnen beim Nachdenken helfen, den Begriff "Photon" von dem Begriff "Lichtimpuls" zu unterscheiden. Der Begriff „Photon“ stammt aus der Quantenphysik und bezieht sich auf den Anregungsgrad des elektromagnetischen Feldes bei einer bestimmten Frequenz . Das bedeutet, dass ein Photon per Definition die Frequenz nicht ändern kann. Aber in einem Prozess wie der Compton-Streuung verschwindet ein Photon einer Frequenz und ein Photon einer anderen Frequenz wird gebildet. Das sind zwei verschiedene Photonen.

Wenn Sie diese (etwas vorsichtigere) Terminologie übernehmen, lautet Ihre Frage: "Kann man ein Photon mit Nullenergie haben"? Ein solches Photon hätte eine Frequenz von Null und eine unendliche Wellenlänge. Die Frage lautet also: "Gibt es solche Modi des elektromagnetischen Felds?" Das heißt, gibt es Moden unendlicher Wellenlänge? Die Antwort darauf ist unbekannt, da wir nicht wissen, ob das Universum selbst unendlich ist oder was ein solches Konzept bedeuten könnte. Für eine genauere Diskussion ist es besser, nicht zu versuchen, über Unendlichkeit selbst zu sprechen, sondern über Grenzen. Wir sagen also, dass im Grenzfall, wenn man Moden mit immer längerer Wellenlänge betrachtet, die Photonenenergie gegen Null geht. Eine andere Möglichkeit, dasselbe zu sagen, besteht darin, zu behaupten, dass die untere Grenze dessen, was ein Photon im Prinzip haben könnte, nicht bekanntermaßen über Null liegt.

Was passiert mit einem Photon, wenn es seine gesamte Energie verliert?

Ein Photon ist per Definition ein quantenmechanisches Teilchen mit Masse null, Spin eins und gleicher Energie$hν$Wo$ν$ist die Frequenz der klassischen elektromagnetischen Welle, die viele Photonen dieser Energie aufbauen werden. Sie folgt speziellen Relativitätsregeln, dh sie wird durch einen Vierervektor beschrieben und alle ihre Wechselwirkungen folgen der Vierervektoralgebra.

Kann ein Elektron verschwinden? Aufgrund der Erhaltung der Leptonzahl bei der Vernichtung mit einem Positron verschwindet es, und auch schwache Wechselwirkungen haben Wege, auf denen die Leptonzahl vom Elektron-Neutrino getragen wird, sodass es als Elektron verschwinden könnte.

Kann ein Photon verschwinden?

Ja. Ein Photon mit der Energiedifferenz zwischen zwei atomaren, molekularen oder Gitterebenen könnte interagieren und die Energie, die es trägt, verlieren, um das Energieniveau des gebundenen Systems zu erhöhen. Das spezifische Photon verschwindet also, weil nur Energie- und Impulserhaltungsregeln befolgt werden müssen, es hat keine unterscheidende Quantenzahl, die es zu zählen gilt.

Bei der Compton-Streuung

Die Energie und der Impuls des Photons werden auf das Elektron übertragen und ein neues Photon mit niedrigerer Energie erscheint. Es kann nicht vollständig absorbiert werden, da Energie- und Impulserhaltung verletzt würden, wie die Antwort von @Chris sagt.

Wenn ein Photon mit einem Atom interagiert, können drei Dinge passieren:

1. elastische Streuung, wie Spiegelreflexion, dies ist Rayleigh-Streuung, das Photon behält seine Energie und Phase und ändert den Winkel

https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering

2. unelastische Streuung (Ihr Beispiel, Compton-Streuung), das Photon gibt einen Teil seiner Energie an das absorbierende Elektron ab, ändert den Winkel, aber das Photon bleibt bestehen (hört nicht auf zu existieren)

https://en.wikipedia.org/wiki/Compton_scattering

3. Absorption, das Photon gibt seine gesamte Energie an das absorbierende Atom/Elektron-System ab, und das Photon hört auf zu existieren

https://en.wikipedia.org/wiki/Absorption_(elektromagnetische_Strahlung)

Sie fragen in den Kommentaren, ob es möglich ist, dass es um uns herum extrem niederenergetische Photonen gibt, wir können sie einfach nicht erkennen. Die Antwort ist wahrscheinlich ja. Der Hauptgrund dafür ist, dass es technische Einschränkungen für das gibt, was wir erkennen können.

Die Detektoren mit der niedrigsten Energie, mit denen ich vertraut bin, haben eine CMB-Mikrowellen-Hintergrundenergie von ~ 3 kB, was einer Wellenlänge von etwa 5 mm oder einer Frequenz von etwa 60 GHz entspricht. zeigt die Detektion von Photonen bei etwa 200 MHz (entspricht einer Wellenlänge von 10 m), die in einem Resonator gespeichert sind, unter Verwendung einer Kopplung an ein supraleitendes Qubit, ähnlich den von Daniel Sank in den Kommentaren erwähnten Systemen. Die Eigenfrequenz des Qubits liegt im GHz-Bereich, also mussten sie ein cleveres Design anwenden, um es für eine so niedrige Frequenz empfindlich zu machen.

https://physics.stackexchange.com/questions/247505/the-lightest-photon-ever-detected#:~:text=The%20limit%20to%20the%20lowest,for%20example%20with%20this%20chart ).

Bitte beachten Sie, dass Sie sagen, dass diese niederenergetischen Photonen Energie durch Compton-Streuung verlieren, aber wahrscheinlicher haben sie ihre Energie aufgrund der Raumausdehnung selbst verloren, genau wie im Fall des CMB um uns herum.

Die Photonen, die zum Zeitpunkt der Photonenentkopplung existierten, breiten sich seitdem aus, obwohl sie schwächer und weniger energiereich wurden, da die Ausdehnung des Raums dazu führt, dass ihre Wellenlänge mit der Zeit zunimmt (und die Wellenlänge gemäß der Planckschen Beziehung umgekehrt proportional zur Energie ist).

https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background

Die Antwort auf Ihre Frage lautet also, dass es wahrscheinlich Photonen um uns herum gibt, die wir nicht einmal erkennen können, weil ihre Frequenz so niedrig ist, aber der Grund, warum sie um uns herum existieren, ist wahrscheinlich nicht die Compton-Streuung, sondern eher die Raumexpansion selbst.