Roodverschuiving en behoud van energie

kidinnu

Niet per se een relativistisch onderwerp, maar speelt vast een rol bij relativistische snelheden en kosmologie:

Quantummechanica leert dat wanneer een elektron in een atoom van een hoger naar een lagere energie-toestand gaat, er een foton wordt uitgezonden met een heel bepaalde energie, welke voor alle atomen van dat isotoop door het hele heelal altijd hetzelfde is: een spectraallijn.

Echter wanneer dat atoom ten opzichte van de waarnemen beweegt, krijg je te maken met het Doppler-effect, en is de golflengte rood- of blauw-verschoven. Maar in het coordinaten-systeem van het atoom zelf heeft het foton de golflengte en energie die het moet hebben. Maar in geval van bijv. roodverschuiving, waar blijft het verschil in energie tussen wat is uitgezonden en wat wij waarnemen?

Idem bij gravitationele roodverschuiving, en bij kosmische roodverschuiving: het zal wel dat de golflengte oprekt omdat de ruimte zelf oprekt, maar hoe zit het dan met de wet van behoud van energie?

thermo1945

Goede vraag. Ik denk, dat het foton zijn energie behoudt, hoewel je het met andere frequentie waarneemt. waarneemt. Er treedt namelijk geen energie-omzetting op.

kidinnu

Goede vraag. Ik denk, dat het foton zijn energie behoudt, hoewel je het met andere frequentie waarneemt. waarneemt. Er treedt namelijk geen energie-omzetting op.

Dat laatste klopt, dat eerste niet. De energie van een foton is recht evenredig met zijn frequentie (E=hv), dus een andere frequentie betekent een andere energie.

Het zal er mee te maken hebben wat het geldig bereik is van de wet van behoud van energie: wel binnen een bepaald referentie-systeem, maar misschien niet bij transformatie van een systeem naar een ander? Bijv. een lichaam kan in rust zijn t.o.v. mij als waarnemer - bijv. de tafel waarop mijn computer staat - en heeft kinetische energie 0. Maar als wij samen bovenop een passerende planetoide knallen blijkt er toch een heleboel bewegings-energie in het spel te zijn, gezien vanuit de planetoide.

Maar de vraag betrof eigenlijk de energie van een overgang in een atoom, die universeel hetzelfde moet zijn, maar vanwege de relatieve beweging toch weer anders is. Ook de gravitationele en kosmische roodverschuivingen treden op binnen een en hetzelfde referentie-systeem, dus ook daar is de vraag waarom energie niet behouden is en waar die dan blijft.

Equations

Quantummechanica leert dat wanneer een elektron in een atoom van een hoger naar een lagere energie-toestand gaat, er een foton wordt uitgezonden met een heel bepaalde energie, welke voor alle atomen van dat isotoop door het hele heelal altijd hetzelfde is: een spectraallijn. Echter wanneer dat atoom ten opzichte van de waarnemen beweegt, krijg je te maken met het Doppler-effect, en is de golflengte rood- of blauwverschoven.

Of het foton rood- of blauwverschoven is hangt af van de richting waarin het foton wordt uitgezonden. Maar kun je eigenlijk wel zeggen dat het uitgezonden foton een richting heeft? Als je het foton in dit geval als een golffront beschouwd dat zich in alle richtingen vanuit het atoom voortplant en het gemiddelde neemt van alle rood- en blauw verschoven gedeeltes van die golf, dan kom je weer op de zelfde energie uit als wanneer het atoom stilstond. Geen energie verlies of energie toename in dat geval.

Alleen vraag ik me ook af wat er gebeurt zodra het foton op één plaats wordt waargenomen, want dan gedraagt het zich weer als een deeltje.

Nu bedenk ik me het volgende. Stel een atoom in rust zendt een foton uit, en dat foton wordt ten noorden van het atoom gedetecteerd, dan moet dat betekenen dat het atoom een impuls richting het zuiden moet hebben gekregen. Zo ook als je het foton ten westen detecteerd, dan heeft het atoom een snelheid naar het oosten gekregen.

Bepaalt de plaats van detectie nu de impulsverandering van het atoom, of bepaalt de impulsverandering de plaats van detectie? Het eerste lijkt me niet-causaal, en het tweede lijkt me zeer onwaarschijnlijk.

Victor

Maar in geval van bijv. roodverschuiving, waar blijft het verschil in energie tussen wat is uitgezonden en wat wij waarnemen?

Volgens mij zoeken we het iets te ver, en is het antwoord eenvoudig.

Dus verontschuldig ik me voor de eenvoudige uitleg.

'Blauw' licht: hoge energie, korte golflengte.

'Rood' licht: lage energie, lange golflengte.

Hou in het achterhoofd dat golflengte een afstand is. Wil je blauw licht naar rood licht omzetten, dan moet je de blauwe golf uitrekken tot die een grotere afstand inneemt. Dit is wat er gebeurt bij het atoom. Het blauwe foton wordt uitgezonden en uitgesmeerd over een grotere afstand indien het atoom wegvliegt van de zin waarin het foton wordt uitgezonden. Gevolg:

- Blauw licht wordt als rood waargenomen.

- Het rode licht wordt gedurende een langere tijd waargenomen.

Het verschil in energie krijg je terug in de tijd dat je het rode licht langer te zien krijgt.

Het is volgens mij een misverstand dat een 'foton', in deze context gebruikt, een vast pakketje energie is. Het is de atoomstructuur die de strikte uitgezonden en opgenomen energiehoeveelheid bepaalt. Maar tussen 2 atomen door is het gewoon klassiek op te vatten als golfjes op het water, in te delen in zoveel stukjes als je wil. Een methode hiertoe is het gebruik maken van het doppler-effect. Hiermee kun je het spectrum opdelen in veel kleinere stukjes dan elektron-overgangen je toelaten.

Hopelijk was dit een antwoord..

Groeten,

Victor

rikketik

Ik weet dat het topic al even oud is maar het antwoord is toch nog niet op punt.

@Victor:

Je haalde een schijnbaar belangrijke factor aan. Maar toch heeft zij een enorm probleem. Het aantal fotonen dat binnenkomt blijft toch constant, wat ik hieronder aan zal tonen.

Wanneer een ster een foton uitstuurt verliest zij massa.

Behoud van energie voor een waarnemer bij de ster:

Δm.c² = h.f

Behoud van energie voor een waarnemer met snelheid v ten opzichte van de ster:

Δm.c² = h.f' + ΔEkin

Hierbij is f' de verandering van de frequentie omwille van roodverschuiving.

En ΔEkin de verandering van de kinetische energie omwille van de verkleining van de massa.

Als je volledig relativistisch rekent, (met een enkel foton) zal je merken dat de energie dat het verschil in energie volledig verklaart wordt door de massa verandering van de ster.

Wanneer je met een langdurige puls rekent zal je merken dat de snelheid (ik doel op het engelse rate, niet de lichtsnelheid) waarmee fotonen binnen komen veel kleiner is. Het is dus waar dat de puls uitgesmeerd zal worden in de tijd. Maar het aantal fotonen zal niet veranderen.

(By the way: als ik me niet vergis heeft Einstein aan de hand van dit probleem afgeleid dat E=mc²)

dinosoep

de kinetische energie van een voorwerp dat stil staat t.o.v. jou is 0, als je echter beweegt t.o.v. dat voorwerp is de kinetische energie niet 0. Is de wet van behoud van energie hier gebroken?

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Roodverschuiving en behoud van energie

Roodverschuiving en behoud van energie

Re: Roodverschuiving en behoud van energie

Re: Roodverschuiving en behoud van energie

Re: Roodverschuiving en behoud van energie

Re: Roodverschuiving en behoud van energie

Re: Roodverschuiving en behoud van energie

Re: Roodverschuiving en behoud van energie