Het foton

[Paul_1968]

Ik heb op dit Forum wat gezocht op het begrip lichtsnelheid en fotonen en probeer nog wat vragen te formuleren.

Een issue is de limiet-waarde van c. Dat gaat er bij veel mensen niet in. Een andere samenhangend issue is het gewicht van een foton en gekromde ruimte. Ook is er veel onduidelijkheid over hoe leeg eigenlijk ons (begrip) Vacuum is. Worden er nu constant spontaan deeltjes gevormd in ons "Vacuum" of is dat een fabeltje ?

Neen massatoename heeft niets met stoftoename te maken, het afzonderlijk deeltje krijgt een grotere massa.

merk op dat waarnemers met verschillende snelheden dus verschillende massa zullen toeschrijven aan het zelfde deeltje. Een waarnemer die meereist met het deeltje meet enkel de rustmassa.

Hoe definieren we "rustmassa" als alles relatief is ? Wanneer is dan iets in rust ? Dat kunnen we dan per definitie niet bepalen.

Met alle respect, maar wat jij denkt is niet belangrijk. Het gaat erom hoe de wetenschap hierover denkt.

Maar Bart, Wetenschap kan toch niet bestaan zonder mensen ?

Volgens mij gaat het er altijd om hoe mensen over iets denken, zowel leken als profs. De wetenschappers ontstaan ook uit normale mensen pi.gif

Er zijn heel veel onderwerpen over de lichtsnelheid, dus het is misschien goed om eerst de zoekfunctie eens te gaan raadplegen.

Om toch een kort antwoord te geven: De lichtsnelheid in vacuum is constant (ongeveer 300.000 km/s). Het verhaal van massa's en zwarte gaten heeft te maken met de kromming van de ruimte. Ook hier zijn een hoop onderwerpen over te vinden. Dus, zoek eerst maar het een en ander rond. Als je dan nog specifieke vragen hebt, dan zijn er voldoende mensen die deze kunnen beantwoorden.

Over Zwart gat en gekromde ruimte : Gekromde ruimte is een wiskundige voorstelling van een natuurkundig verschijnsel

, maar we leven in niet een wiskundige wereld. Die wiskunde hebben we zelf verzonnen en is daarom deel van onze cultuur (niet van de natuur).

Als een foton dat door water vliegt een ("relativistische" ?, schijnbare ?) massa krijgt, waarom dan niet in een zwart gat ? In zo'n opeenhoping van massa zal een foton dan meer massa krijgen dan wanneer het door water vliegt en zelfs dat kunnen we al meten !

Of zal er beweerd worden dat de ruimte rond het foton vervormd wordt, wanneer het zich door water voortplant ? (ik hoop het niet)

Ik ben bang dat ik hier wat zaken door elkaar haal. Maar ik zit niet bewust te stangen. Ik begrijp het echt niet goed.

De lichtsnelheid in vacuum is constant (ongeveer 300.000 km/s).

Misschien flauw, maar toch even de moeite waard om te noemen, al is het alleen maar om verwarring te voorkomen mbt licht : Is niet elke snelheid constant in vacuum ? ( Newton.3 ?)

[Brinx]

Hoe definieren we "rustmassa" als alles relatief is ? Wanneer is dan iets in rust ? Dat kunnen we dan per definitie niet bepalen.

'in rust' betekent in rust ten opzichte van een zekere waarnemer. Dat is de enige manier waarop 'in rust' gedefinieerd kan worden in een relativistische theorie.

Over Zwart gat en gekromde ruimte : Gekromde ruimte is een wiskundige voorstelling van een natuurkundig verschijnsel, maar we leven in niet een wiskundige wereld. Die wiskunde hebben we zelf verzonnen en is daarom deel van onze cultuur (niet van de natuur).

Wiskunde blijkt enorm bruikbaar te zijn om modellen die de natuur beschrijven mee te formuleren. Of de werkelijkheid zelf op wiskunde stoelt staat daar in principe buiten.

Als een foton dat door water vliegt een ("relativistische" ?, schijnbare ?) massa krijgt, waarom dan niet in een zwart gat ? In zo'n opeenhoping van massa zal een foton dan meer massa krijgen dan wanneer het door water vliegt en zelfs dat kunnen we al meten !

Voor zover ik weet is de snelheid van een foton ook in een medium nog altijd 'c'. Omdat dat foton in dat medium echter enorm vaak geabsorbeerd wordt en opnieuw uitgezonden wordt (wat telkens wel een beetje tijd kost), is de 'netto' (gemeten) snelheid lager. Dit is tenminste hoe ik het begrepen heb - verbeter me gerust als ik het fout mocht hebben.

Misschien flauw, maar toch even de moeite waard om te noemen, al is het alleen maar om verwarring te voorkomen mbt licht : Is niet elke snelheid constant in vacuum ? ( Newton.3 ?)

Hm, ik weet niet waarom je dat denkt. Elke snelheid van wat, precies? Als alles en iedereen in een vacuum een constante snelheid zou hebben zou er uberhaupt niet zoiets als een versnelling bestaan. Denk aan de zwaartekracht, of de elektrostatische kracht. Die kunnen objecten gewoon laten versnellen, ook in een vacuum.

[ghrasp]

'in rust' betekent in rust ten opzichte van een zekere waarnemer. Dat is de enige manier waarop 'in rust' gedefinieerd kan worden in een relativistische theorie.

Dus de rustmassa van een kopie van de standaard kg is een kg. Als nu de waarnemer en de kopie van de standaard kg versnellen tov de "echte" standaard kg zal voor de waarnemer de standaard kg een andere massa hebben dan de kopie.

De waarnemer bevindt zich nu in een onmogelijke (pardoxale) situatie omdat het onmogelijk wordt te beweren dat beide een massa van een kg hebben.

Of zal er beweerd worden dat de ruimte rond het foton vervormd wordt, wanneer het zich door water voortplant ? (ik hoop het niet)

De richtingen lijnen vervormen. Stel er zwemt een vis in het water van een groot acquarium waarin zich een waterlelieblad bevindt.

Er zijn twee waarnemers een bevindt zich boven het acquarium en ziet de vis vlak achter het blad.

De andere waarnemer ziet de situatie van waarnemer een, de vis en het blad van opzij en ziet de drie in een lijn. Volgens deze waarnemer kan waarnemer een de vis niet zien en toch... Waarnemer een kan als het ware om een hoek kijken.

Nu is de overgang water lucht heel scherp en de dichtheid van het water verandert niet veel met de geringe diepte van het acquarium. Atmosferisch is dit anders. De atmosfeer varieert van uiterst ijl (vacuum) tot heel dicht en veel geleidelijker.

en in plaats van een hoek is dus sprake van een kromming. Iemand die met pijl en boog op vissenjacht gaat maakt dus

( zo zie ik het tenminste) principieel van dezelfde relativiteit gebruik als waarmee een tomtom werkt vanaf een satelliet.

[Brinx]

De waarnemer bevindt zich nu in een onmogelijke (pardoxale) situatie omdat het onmogelijk wordt te beweren dat beide een massa van een kg hebben.

De rustmassa's van beide voorwerpen blijven gewoon gelijk. De energie van het voorwerp dat beweegt t.o.v. de waarnemer is groter geworden (gemeten t.o.v. diezelfde waarnemer), en dat kun je 'vertalen' naar een grotere massa, de relativistische massa. Dat laatste is echter wat verwarrend, omdat op die manier lijkt alsof de rustmassa toeneemt, maar dat is dus niet het geval. De energie neemt toe, da's eigenlijk alles. Niets paradoxaals aan!

[ghrasp]

Voor degene aan boord van een ruimteschip zal de rustmassa van de kopie overeen moeten stemmen met de reeele massa. Maw zowel de rustmassa als de reeele massa is een kg immers de kilo (geijkt van te voren) is in rust voor die waarnemer dus de relativistische massa is de rustmassa.

Nu zegt de relativiteitstheorie ook dat bij een versnelling de massa toeneemt. Dit idee legt juist de beperking op aan de te halen snelheid. Als de massa van de kg (de kopie) niet verandert betekent dit dat ook de massa van het ruimteschip niet toeneemt. Dit betekent dan dat er geen limiet is aan de te bereiken snelheid???

[Brinx]

Voor een meebewegende waarnemer blijven de rustmassa en de relativistische massa (ik blijf het een beetje een vies woord vinden, maar als we zorgvuldig met de terminologie omgaan zou het geen problemen moeten opleveren) inderdaad gelijk. De ogenschijnlijke tegenstrijdigheid tussen het 'altijd maar door kunnen versnellen' van de massa voor een meebewegende waarnemer versus het niet kunnen bereiken van de lichtsnelheid zoals gezien door een achterblijvende waarnemer verdwijnt wanneer je rekening houdt met het relativistische fenomeen van tijddilatatie.

Vanuit de achterblijvende waarnemer gezien verloopt de tijd aan boord van het ruimteschip steeds trager naarmate de snelheid ervan dichter bij de lichtsnelheid komt - dit is een asymptotisch proces. Vandaar dat de meebewegende en meeversnellende waarnemer wel een constante versnelling kan voelen (de constante versnelling meet hij namelijk in zijn eigentijd, die voor achterblijvers steeds trager verloopt), terwijl hij voor buitenstaanders toch nooit de lichtsnelheid kan halen.

Overigens is de energie van een voorwerp natuurlijk waarnemerafhankelijk. De kinetische energie van een trein bijvoorbeeld, zoals waargenomen door een persoon op het perron waar de trein langsdendert, is vrij groot, maar ten opzichte van een waarnemer aan boord van diezelfde trein staat de trein gewoon stil, en is de kinetische energie ervan nul.

[Paul_1968]

'in rust' betekent in rust ten opzichte van een zekere waarnemer. Dat is de enige manier waarop 'in rust' gedefinieerd kan worden in een relativistische theorie.

Ik vind deze twee opmerkingen heel verhelderend. Mijn opmerking over rustmassa ging ervan uit dat die gedefinieerd is als absolute waarde, maar juist die was relatief. En de wiskunde als natuurlijk fenomeen is inderdaad een ander verhaal.

( Maar betekent dit nu ook dat we het wiskundig model van gekromde ruimte kunnen inwisselen voor bijvoorbeeld een foton dat massa krijgt ? )

Voor zover ik weet is de snelheid van een foton ook in een medium nog altijd 'c'. Omdat dat foton in dat medium echter enorm vaak geabsorbeerd wordt en opnieuw uitgezonden wordt (wat telkens wel een beetje tijd kost), is de 'netto' (gemeten) snelheid lager. Dit is tenminste hoe ik het begrepen heb - verbeter me gerust als ik het fout mocht hebben.

Dit punt vind ik iets minder helder. Het verschil in definitie van licht door een vacuum en door een "medium" is juist het feit dat zo'n foton interacties aangaat met andere deeltjes. Al die interacties samen zorgen voor de gemiddelde snelheid die dan lager licht dan c. Wanneer je zegt dat licht in bv water ook c is, behalve wanneer het een deeltje tegenkomt, dan heb je het volgens mij juist over de verschillende eigenschappen van een medium of een vacuum.

Hm, ik weet niet waarom je dat denkt. Elke snelheid van wat, precies? Als alles en iedereen in een vacuum een constante snelheid zou hebben zou er uberhaupt niet zoiets als een versnelling bestaan. Denk aan de zwaartekracht, of de elektrostatische kracht. Die kunnen objecten gewoon laten versnellen, ook in een vacuum.

Ik denk dat ik mij afvroeg wat dat woord "constant" daar deed. Wanneer je het weglaat, wordt het duidelijker. Daarom moest ik denken aan de betekenis van het woord constant ten opzichte van versnelling. Met "Elke snelheid is toch per definitie constant" bedoel ik : zonder versnelling. (Misschien beetje flauw) Werd er misschien bedoeld dat licht in een vacuum niet versneld of afgeremd kan worden door een veld ?

[Phys]

Dit punt vind ik iets minder helder. Het verschil in definitie van licht door een vacuum en door een "medium" is juist het feit dat zo'n foton interacties aangaat met andere deeltjes. Al die interacties samen zorgen voor de gemiddelde snelheid die dan lager licht dan c. Wanneer je zegt dat licht in bv water ook c is, behalve wanneer het een deeltje tegenkomt, dan heb je het volgens mij juist over de verschillende eigenschappen van een medium of een vacuum.

De fotonen afzonderlijk hebben, zoals Brinx zei, nog altijd snelheid c. De snelheid van het licht is de gemiddelde snelheid over een bepaalde afstand van alle fotonen; die komt lager uit dan c door de fotoninteracties met andere deeltjes. Je kunt dus niet zeggen dat het licht in bv water snelheid c heeft (je zei dat licht c is, dat kan natuurlijk niet ) tot het een deeltje tegenkomt, maar alleen de afzonderlijke fotonen.

Dit is vooral een definitiekwestie, want ik denk dat we onderscheid moeten maken tussen de snelheid van enerzijds afzonderlijke fotonen, en anderzijds van licht = de gemiddelde snelheid van die fotonen over een bepaalde afstand.

Ik denk dat ik mij afvroeg wat dat woord "constant" daar deed. Wanneer je het weglaat, wordt het duidelijker.

"Constant" geeft in dezen aan dat die snelheid voor iedere waarnemer geldt. Het is dus een (universele) constante; terwijl geen enkele andere snelheid zo'n constante is. Het is dus een essentieel woord in de zin en kan juist NIET worden weggelaten

\\edit:

Even een aanvulling/verbetering over foton-snelheid in vacuum/medium:

In passing through materials, the observed speed of light can differ from c. The ratio of c to the phase velocity of light in the material is called the refractive index. This apparent contradiction to the universality of the constant c is a consequence of sloppy (but universally practiced) nomenclature: what is referred to as light in a medium is really a light-like hybrid of electromagnetic waves and mechanical oscillations of charged or magnetic particles such as electrons or ions, whereas light in the strict sense is a pure electromagnetic wave (see further discussion below). The speed of light in air is only slightly less than c. Denser media, such as water and glass, can slow light much more, to fractions such as ¾ and â…"of c. Through diamond, light is much slower â€"only about 124,000 kilometres per second, less than ½ of c.[4] This reduction in speed is also responsible for bending of light at an interface between two materials with different indices, a phenomenon known as refraction.

Since the speed of light in a material depends on the refractive index, and the refractive index depends on the frequency of the light, light at different frequencies travels at different speeds through the same material. This can cause distortion of electromagnetic waves that consist of multiple frequencies, an effect called dispersion.

Note that the speed of light referred to is the observed or measured speed in some medium and not the true speed of light (as observed in vacuum). It may be noted, that once the light has emerged from the medium it changes back to its original speed and this is without gaining any energy. This can mean only one thing: that the light's speed itself was never altered in the first place.

It is sometimes claimed that light is slowed on its passage through a block of media by being absorbed and re-emitted by the atoms, only traveling at full speed through the vacuum between atoms. This explanation is incorrect and runs into problems if you try to use it to explain the details of refraction beyond the simple slowing of the signal.

Classically, considering electromagnetic radiation to be like a wave, the charges of each atom (primarily the electrons) interfere with the electric and magnetic fields of the radiation, slowing its progress.

The full quantum-mechanical explanation is essentially the same, but has to cope with the discrete particle nature (see Photons in matter): The E-field creates phonons in the media, and the photons mix with the phonons. The resulting mixture, called a polariton, travels with a speed different from light.

uit wiki

[Paul_1968]

Het voorbeeld van lichtbreking in water :

De richtingen lijnen vervormen. Stel er zwemt een vis in het water van een groot acquarium waarin zich een waterlelieblad bevindt.

en in plaats van een hoek is dus sprake van een kromming. Iemand die met pijl en boog op vissenjacht gaat maakt dus

( zo zie ik het tenminste) principieel van dezelfde relativiteit gebruik als waarmee een tomtom werkt vanaf een satelliet.

Het principe van lichtbreking wordt volgens mij veroorzaakt door de golfeigenschappen van het licht. Golven kunnen van richting veranderen wanneer ze dicht langs een obstakel bewegen. Vergelijk watergolven die een dijk met een gat erin benaderen : Ze gaan uitwaaieren aan de andere kant van de dijk. Licht schijnt ook zoiets te doen wanneer het langs bv een hemellichaam vliegt. Ik vind het model van de gekromde ruimte wiskundig heel mooi, maar ben er verder niet erg blij mee. Ik wil mijn wereldbeeld niet onnodig ingewikkeld maken. (Als het niet anders kan, leg ik me erbij neer natuurlijk)

De vergelijking van licht door water of door de atmosfeer lijkt me correct, maar verklaart nog niet waarom licht kan breken denk ik.

Wat me wel opvalt aan golven (in het algemeen) en licht, is de overeenkomst van de buiging om hoeken wanneer het zich beweegt door "openingen". Die openingen kunnen zich bevinden tussen sterren, planeten, molekulen, atomen en nog kleinere deeltjes. Hoe kleiner de ruimte tussen de deeltjes waarlangs zich het licht beweegt, hoe sterker de breking wordt.

De fotonen afzonderlijk hebben, zoals Brinx zei, nog altijd snelheid c. De snelheid van het licht is de gemiddelde snelheid over een bepaalde afstand van alle fotonen; die komt lager uit dan c door de fotoninteracties met andere deeltjes. Je kunt dus niet zeggen dat het licht in bv water snelheid c heeft (je zei dat licht c is, dat kan natuurlijk niet ) tot het een deeltje tegenkomt, maar alleen de afzonderlijke fotonen.

Dit is vooral een definitiekwestie, want ik denk dat we onderscheid moeten maken tussen de snelheid van enerzijds afzonderlijke fotonen, en anderzijds van licht = de gemiddelde snelheid van die fotonen over een bepaalde afstand.

"Constant" geeft in dezen aan dat die snelheid voor iedere waarnemer geldt. Het is dus een (universele) constante; terwijl geen enkele andere snelheid zo'n constante is. Het is dus een essentieel woord in de zin en kan juist NIET worden weggelaten

Ja, licht is inderdaad geen c en dat woordje "constant" staat er dus niet voor niets bij. Ik begreep alleen niet precies waarom het er stond. Tnx

Conclusie : Licht heeft een lagere snelheid in water dan in vacuum, maar een foton niet.

[Brinx]

Hee, in het stukje tekst uit de wiki dat Phys aanhaalt wordt juist gezegd dat het absorberen en opnieuw uitzenden van fotonen in een medium niet verantwoordelijk gehouden kan worden voor de lagere snelheid van licht in een medium.

Dat is wat anders dan ik altijd dacht. Hmm, toch maar eens war meer lezen hierover!

[Phys]

Hee, in het stukje tekst uit de wiki dat Phys aanhaalt wordt juist gezegd dat het absorberen en opnieuw uitzenden van fotonen in een medium niet verantwoordelijk gehouden kan worden voor de lagere snelheid van licht in een medium.

Dat is wat anders dan ik altijd dacht. Hmm, toch maar eens war meer lezen hierover!

Inderdaad, dit wordt vrij fundamenteel.

Light that travels through transparent matter does so at a lower speed than c, the speed of light in a vacuum. For example, photons suffer so many collisions on the way from the core of the sun that radiant energy can take years to reach the surface; however, once in open space, a photon only takes 8.3 minutes to reach Earth. The factor by which the speed is decreased is called the refractive index of the material. In a classical wave picture, the slowing can be explained by the light inducing electric polarization in the matter, the polarized matter radiating new light, and the new light interfering with the original light wave to form a delayed wave. In a particle picture, the slowing can instead be described as a blending of the photon with quantum excitations of the matter (quasi-particles such as phonons and excitons) to form a polariton; this polariton has a nonzero effective mass, which means that it cannot travel at c.

[eendavid]

Ik vind het een gekke uitleg op wiki. Er wordt langs alle kanten over gezwegen dat quasideeltjes een eindige levensduur hebben. Uiteindelijk (gewoon even fysisch) komt het er wel op neer dat je absorptie en straling hebt, maar dat de veeldeeltjesaard van een vaste stof ervoor zorgt dat dit niet aan 1 atoom is.

'blending of' moet in die zin geïnterpreteerd worden dat een invallend foton koppelt aan quasideeltjesexcitaties. Deze hebben een eindige levensduur, en vervallen dus met uitstralen van een foton. Het veeldeeltjesaspect maakt het moeilijker voor mensen die geen veeldeeltjeskwantummechanica kennen, maar zeggen dat het beeld van absorptie en emissie compleet verkeerd is, is ook wat overtrokken denk ik niet. Er zijn wat nuances, en er hangt een abstracte waas rond, maar volgens mij is het een aanvaardbare voorstelling van wat gebeurt.

Eigenlijk had TS een ander voorbeeld moeten geven. Een situatie waar de fotonen zelf massa krijgen is het Meissner effect.

[ghrasp]

Als je fotonen als snaren voorstelt (die zich bij een waarneming oprollen of opvouwen in een samenspel met waarmee je de waarneming uitvoert, zodat een deeltjes idee ontstaan kan) die aan elkaar gekoppeld zijn of in elkaars spoor volgen (met als lengte de golflengte (of halve golflengte zodat er een polairverschil is)) kun je een andere benadering voorstellen waarbij een foton in een medium een verbinding aan kan gaan en als het ware uit de keten wordt opgenomen.

De snaren ervoor en erna zullen dan polair weer aansluiten wat twee snaren met een veel grotere golflengte golflengte geeft. Zou je dit bij elastiekjes doen waarbij de twee elastiekjes (of elastische magneten?) ervoor en erna meteen weer aansluiten dan heeft dit onmiddelijk een effect op de voorgaande en achterliggende elastiekjes (tot lengte van alle elastiekjes gelijk is)

Hier gaat het niet om elastiekjes maar om snaren (een soort abstract-reel begrip net als het foton als deeltje dat heeft).

de fotonen die al voorbij zijn kunnen niet meer samentrekken hence er is een roodverschuiving (de frecquentie is afgenomen en de golflengte toegenomen. Tegelijk is C (voor de bepaling waarvan je een klok gebruikt met een onveranderlijke frecquentie als vergelijking die zich buiten het medium bevindt) iets afgenomen.

Terugwerkend naar de energiebron werkt het ook en heeft het als effect dat de energiebron meer energie in die richting gaat afgeven de energie wordt aangetrokken in die richting.

In ieder geval opent het snaartheoretisch denken in plaats van het denken in termen van deeltjes denk ik meer mogelijkheden.

[Jan van de Velde]

In ieder geval opent het snaartheoretisch denken in plaats van het denken in termen van deeltjes denk ik meer mogelijkheden.

Is dat ook niet een beetje omdat die theorieën zó vaag zijn dat je er afhankelijk van interpretatie alle kanten mee op lijkt te kunnen? Ik heb er alleszins nooit wat van begrepen, en als ik er af en toe eens iets over lees vraag ik mij af of de snaartheoristen zélf wel begrijpen wat ze zeggen.

[eendavid]

Neen, echt geen snaren nodig om dergelijke verschijnselen te beschrijven.

@jan: ik denk wel dat je snarentheorie als een volwaardige wetenschappelijke theorie in ontwikkeling moet zien (hoewel ook ik enkele kritieken meen te hebben). Hierbij is het steeds zo dat men enkele dingen weet, en enkele dingen niet, daarom noemt men zoiets onderzoek. Ik denk dat veel mensen over snaartheorie spreken zonder er iets over te weten, zoals je al aangaf. De uitleg gebeurt dan vaak inderdaad op een niet-wetenschappelijke manier. Ook onderzoekers in het veld brengen de uitleg naar het publiek soms op een niet-wetenschapelijke wijze. Dat wil niet zeggen dat de onderzoekers niet begrijpen waarmee ze bezig zijn, dat wil zeggen dat de theorie sterk wiskundig van aard is. Men geeft toch ook geen kritiek op onderzoekers in veeldeeltjeskwantummechanica, omdat de concepten die zij hanteren ofwel hand waving moeten worden uitgelegd ofwel zeer technisch worden.