Wie kann sich ein rotes Lichtphoton von einem blauen Lichtphoton unterscheiden?

Einige Bereiche der Physik sind kontraintuitiv. Für sie ist Ihre Alltagserfahrung ein schlechter Leitfaden dafür, wie das Universum wirklich funktioniert. Dies ist einer dieser Bereiche.

Photonen haben keine Masse. Sie haben alle die gleiche Geschwindigkeit. Dennoch haben sie Energie und Impuls, und das ist nicht bei allen Photonen gleich.

Wenn Sie es gewohnt sind$p = mv$, das ergibt keinen Sinn. Die Erklärung ist einfach.$p = mv$gilt nicht für Photonen. Es gilt für massive Objekte bei niedrigen Geschwindigkeiten, und Photonen sind etwas anderes.

Eine Möglichkeit, Photonen einen Sinn zu geben, besteht darin, sie wie das neue Ding zu behandeln, das sie sind. Bevor Sie der Quantenmechanik begegnet sind, sind Sie nie auf etwas gestoßen, das so etwas wie ein Teilchen oder eine Art Welle war. Was sind also die Eigenschaften dieses neuen und anderen Dings?

Ein angeregtes Atom kann in den Grundzustand fallen und gleichzeitig einen Rückstoß erfahren. Eine Weile später kann ein anderes Atom, das in Bezug auf das erste Atom in Ruhe war, einen Rückstoß in die entgegengesetzte Richtung erfahren und in einen angeregten Zustand befördert werden. Ein Photon ist das, was dazwischen passiert. Experimente wie dieses zeigen, dass ein Photon genug Energie hatte, um ein Atom anzuregen, und genug Schwung, um ihm einen Rückstoß zu versetzen. Sie zeigen, dass ein Photon so etwas wie ein Teilchen ist.

Experimente mit Beugungsgittern zeigen, dass Photonen Frequenz und Wellenlänge haben und eine höhere Frequenz/kürzere Wellenlänge höheren Energien und Impulsen entspricht.

Ich beschönige andere kontraintuitive Ergebnisse, wie die Ungewissheit des Momentums.

Nachdem ich so viel gesagt habe, hoffe ich, dass ich das Wasser nicht trübe, indem ich sage, dass es so etwas wie ein rotes oder blaues Photon nicht gibt. Dies führt zurück zur Relativität. Sie haben einige alltägliche Erfahrungen mit der Galileischen Relativitätstheorie, die sich nicht vollständig von der speziellen Relativitätstheorie unterscheidet.

Angenommen, Sie schweben im Weltraum und treffen auf einen Felsen. Wenn sich der Stein nicht schnell bewegt, klopft er Sie sanft an. Wenn es sich schnell bewegt, richtet es Schaden an. Aber man kann nicht wirklich sagen, wie sich der Stein bewegt. Sie können nur sagen, wie schnell es sich in Bezug auf Sie bewegt. Zwei Personen konnten denselben Stein sehen. Der eine konnte sehen, wie er sich langsam bewegte, der andere schnell. Sie würden sich nicht darüber einig sein, wie viel Energie und Schwung der Stein hat.

Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in einem Boot und beobachten die vorbeiziehenden Wellen. Sie zählen die Spitzen, die pro Sekunde vorbeiziehen, um die Frequenz zu erhalten. Wenn du dich in die Wellen bewegst, triffst du häufiger auf Peaks und dein Wert für die Frequenz steigt. Sie sehen auch, wie sich die Wellen in Bezug auf das Boot schneller bewegen. Der Abstand zwischen den Spitzen ändert sich nicht.

Photonen haben keine Masse und ihre Geschwindigkeit ist immer c. Aber ihre Energie und ihr Impuls verhalten sich ungefähr so, wie man es von der Beobachtung von Felsen erwarten würde. Ihre Frequenz verhält sich ungefähr so, wie man es von Wasserwellen oder Schallwellen erwarten würde. Es gibt Unterschiede in Details, aber Ihre Intuition kann eine Art Leitfaden sein.

Photonen sind wie Felsen, da verschiedene Atome unterschiedliche Energien und Impulse sehen, je nachdem, wie sie sich bewegen. Wenn wir das Experiment mit angeregten Atomen mit Atomen wiederholen, die sich nähern, stellen wir fest, dass der Rückstoß höher ist als bei einem ruhenden Atom, das Photon hat eine Energie, die höher ist, als zur Anregung des Atoms benötigt wird. Der intuitive Teil ist, dass das Photon "härter trifft", wenn Sie stromaufwärts hineinlaufen. Der kontraintuitive Teil ist, dass sich Photonen immer mit c fortbewegen, also mit der gleichen Geschwindigkeit auftreffen.

Sie erhalten auch halbwegs vernünftige Ergebnisse, wenn sich ein Atom und ein Beugungsgitter annähern. Wie Wasserwellen trifft das Beugungsgitter häufiger auf Spitzen und sieht eine höhere Frequenz. Der kontraintuitive Teil ist, dass sich die Geschwindigkeit nicht ändert, aber der Abstand zwischen den Spitzen kürzer wird. Das Beugungsgitter reflektiert die Photonen in einem anderen Winkel.

Es gibt also kein rotes oder blaues Photon, weil es darauf ankommt, wie schnell sich das Objekt bewegt, auf das es trifft. Das Ding, auf das es trifft, sieht es als rot oder blau, und etwas anderes würde es anders sehen. Aber auch dies ist kontraintuitiv. Obwohl das Photon immer eine Geschwindigkeit c erreicht, gibt es einen Unterschied. Es ist intuitiver, wenn Sie an die relative Geschwindigkeit zwischen dem getroffenen Ding und dem Ding denken, das das Photon emittiert hat.

Die Quantenmechanik ist oft so. Es gibt zwei Interaktionen, und alles summiert sich davor und danach. Aber was dazwischen passiert, kann trübe sein. Ein Photon oder Elektron wird von einer Quelle emittiert. Es gibt keine Bahn, der es folgt, nur eine Welle, die Wahrscheinlichkeiten beschreibt. Dann trifft es etwas. Der Rückstoß von Quelle und Ziel stimmen überein.

Die Intuition hat die Menschen dazu gebracht, nach einer tieferen Theorie zu suchen, die mehr erklärt. Wenn es eine Ursache gibt, muss es eine vorhersehbare Wirkung geben. Es stellt sich heraus, dass diese Intuition auf einen falschen Weg führt. So funktioniert das Universum. Das Beste, was Sie tun können, ist, Wege zu finden, sich daran zu gewöhnen.

Sie unterscheiden sich in ihrer Energie. Das sagt die spezielle Relativitätstheorie$E=\sqrt{m^2c^4 + p^2c^2}$. Für ein massives Teilchen gibt es eine Eins-zu-eins-Beziehung zwischen seiner Energie und seiner Geschwindigkeit. An der Grenze$m \rightarrow 0$dies ist nicht mehr der Fall. Alle masselosen Teilchen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, aber ihre Energie/Impuls kann variieren.

Der einzige Unterschied zwischen den beiden ist die Energie, die sie haben.

Es ist wichtig zu wissen, dass, obwohl Photonen immer masselos sind und sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, das nicht bedeutet, dass sie immer die gleichen Energien haben, wie aus der obigen Gleichung ersichtlich ist.

Lassen Sie mich ein paar Dinge hinzufügen.

1. Ein Photon ist ein Elementarteilchen, und solange es sich ausbreitet, befindet es sich in einer Überlagerung von Zuständen, dh in einer Überlagerung von Frequenzen, und hat keine genau definierte Frequenz. Sie können seine Frequenz nicht kennen, bis Sie mit ihm interagieren oder ihn absorbieren.

Als quantenmechanische Einheit können sich Photonen überlagern

Existiert ein einzelnes weißes Photon?

2. Ein Photon, solange es sich ausbreitet, könnte von verschiedenen Referenzrahmen betrachtet werden, und da es keinen universellen Referenzrahmen gibt, könnte das Photon mit roter Wellenlänge von einem anderen Referenzrahmen aus als blau betrachtet werden. Sie können seine Frequenz nicht kennen, bis Sie mit ihm interagieren oder ihn absorbieren.

Warum beeinflusst die Bewegung des Emitters (Dopplerverschiebung) die Energie der Photonen?

3. Nehmen wir an, Sie emittieren ein Photon mit blauer Wellenlänge und es bewegt sich im expandierenden Raum und erfährt eine kosmologische Rotverschiebung. Der Absorber sieht es als ein Photon mit roter Wellenlänge. Wer hat recht, würden Sie das ein Photon mit blauer oder roter Wellenlänge nennen?

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

Diese Frage ist in der Physik immer noch vollständig definiert, weil sie die Analyse des Lichts als Dualität erfordert; wobei sie als beides verstanden werden:

1) ein „Teilchen“, ein Photon genannt.

2) eine „masselose Welle“, gemessen an ihrer Frequenz. Ich glaube, das theoretische Problem liegt zwischen:

A) „Newtonsche Physik“ (Regeln für unser Verständnis von Physik, die über die atomare Ebene hinausgeht); Dieses Regelwerk beschreibt genau „Fluid Dynamic“ (Regeln, die unser Verständnis der Physik von Flüssigkeiten und Gasen bestimmen) und „Thermal Dynamic“ (Regeln, die unser Verständnis der Physik des Wärmeaustauschs und der molekularen Verbrennung bestimmen).

B) „Elektrodynamik“ (Regeln, die unser Verständnis der Physik atomarer und elektromagnetischer Energien regeln), die anscheinend nicht denselben theoretischen Regeln folgten.

Die Brücke zwischen diesen beiden Feldern findet sich meines Erachtens in den Regeln der „Allgemeinen Relativitätstheorie“ (Regeln der Physik der „Materie“, die sich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit bewegt) und der „Speziellen Relativitätstheorie“ (Regeln der Physik mit Lichtgeschwindigkeit). und/oder ohne „Masse“ ).

Wenn wir über die farblichen Eigenschaften von „Licht“ sprechen, betrachten wir die Wellenfrequenz des Lichtstrahls. In dieser Analyse beziehen wir die Materie eines Photons nicht als „Teilchen“ ein. Vielmehr analysieren wir seine „Energieabgabe“ als eine Welle mit einer bestimmten Frequenz, die in der Lage ist, durch ein Vakuum zu übertragen (dadurch verstehen wir, dass sie keine Materiekomponente benötigt, wodurch wir Masse negieren).

Die folgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Energiefrequenzen sowohl des sichtbaren Spektrums als auch der größeren elektromagnetischen Skala von Strahlung bis zu Radiowellen.



Die ständige Frage ist, dass wir beobachten können, dass diese elektromagnetischen und Lichtgeschwindigkeitsphänomene von verschiedenen physikalischen Objekten und, wenn auch unter den extremsten Umständen, „der schwachen Kraft“ (Schwerkraft) beeinflusst werden . Da wir dies beobachten, nehmen wir an, dass Licht und Energie Eigenschaften haben, die darauf hindeuten, dass sich ein „greifbares Teilchen“ auf einem Weg bewegt. Daher behandeln wir Licht derzeit theoretisch als „Teilchen“ und „Welle“ gleichzeitig, obwohl es unvereinbar erscheinen würde. Meines Wissens muss die „Materiezusammensetzung“ eines Photons über einige seiner beobachteten Eigenschaften hinaus noch ermittelt werden. Ich glaube, dies ist eines der aktuellen Probleme im Herzen der nicht etablierten Theorie zur Ausrichtung der „Quantenmechanik“.(die Regeln der Physik auf subatomarer Ebene, als die ein Photonenteilchen klassifiziert würde) und „Allgemeine Relativitätstheorie“ .

„Andere Farbe“ ist ein Gefühl in deinem Gehirn. Rot und Blau ist ein unterschiedliches Gefühl, die Wurzel des unterschiedlichen Gefühls ist eine unterschiedliche Eigenschaft des Photons, die zu unterschiedlichen Gefühlen führen kann.

Im Fall des menschlichen Auges ist die Eigenschaft, die den Unterschied des Gefühls ausmacht, die Frequenz/Energie des Photons. Photonen mit unterschiedlicher Energie regen Lichtsensoren in der Netzhaut mit unterschiedlicher Stärke an. Blaue Photonen stimulieren blaue Sensoren stärker, rote Photonen stimulieren rote Sensoren stärker und geben Ihrem Gehirn schließlich ein anderes Farbgefühl.

Bei sehr schlechten Lichtverhältnissen wie nachts wird ein vierter Lichtsensortyp, der nicht sehr unterschiedlich auf verschiedene sichtbare Lichtphotonen reagiert, viel stärker stimuliert als blaue und rote Sensoren, dann stammt das meiste visuelle Signal, das an Ihr Gehirn gesendet wird, von diesem vierten Typ von Lichtsensor Lichtsensor und deshalb kann man Farben bei schwachem Licht nicht mehr gut sehen.

All dies ist für menschliche Augen. Andere Augen (einschließlich biotechnologisch hergestellter Augen) können unterschiedliche Arten von Farbsensoren haben und sogar kein Signal an das Gehirn basierend auf der Frequenz- / Evergy-Eigenschaft erzeugen, sondern auf anderen Eigenschaften, wie z. B. Polarisation?