Photonen und Lichtgeschwindigkeit
Ein Experte und Alex erklären es
21.04.2023 9 min
Zusammenfassung & Show Notes
Houston ... ich habe ein Problem. Oder besser gesagt ein Dilemma, bzw eine Frage. Und da ich dieses Dilemma nicht alleine lösen konnte, habe ich einen Experten um Rat gefragt. Hier nun die Erklärung, mit anschließender "volksnaher" Zusammenfassung von mir.
Musik und Bilder von pixabay .::. Transkript automatisiert von auphonic KI
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Transkript
Ja hallo meine lieben Hörerinnen und Hörer und herzlich willkommen beim Podcast Nerds to go hier bei mir beim Geschichtenerzähler. Es ist ja mein Anspruch die Episoden nicht länger als 5 Minuten werden zu lassen.
Kann ich euch sagen, das wird diesmal nichts werden.
Mich beschäftigt schon seit geraumer Zeit ein Problem beziehungsweise eine Frage, die ich selbst nicht beantworten konnte.
Und da habe ich mir professionelle Hilfe von einem Physiklehrer geholt,
Aber zuerst einmal, was ist das nun für ein Problem? Es geht um unser gutes Licht, also die Photonen,
bewegt sich ja bekanntlicherweise mit der Geschwindigkeit des Lichtes vorwärts, sonst wird's ja nicht Lichtgeschwindigkeit heißen,
Und das ist nun mal um die 300.000 Kilometer pro Sekunde im Vakuum. Ja, ich weiß, es gibt kein Vakuum. Es gibt nur dünnes Gas,
Denn selbst im Weltraum schwirren irgendwo noch irgendwelche Partikel rum,
Aber darüber sehen wir heute mal hinweg. Ich spreche jetzt einfach mal vom Vakuum des Weltraums.
Im Vakuum des Weltraums bewegt sich das Licht mit circa dreihunderttausend Kilometer pro Sekunde vorwärts.
Schneller kann nichts werden. Die Lichtgeschwindigkeit ist das absolute Tempolimit in der Physik, im gesamten Universum.
Und nichts was Masse besitzt, kann sich mit dieser Geschwindigkeit fortbewegen außer eben das Licht und andere elektromagnetische Wellen.
Warum? Warum kann sich denn nun das Licht mit dieser Geschwindigkeit fortbewegen?
Es heißt in der Relativitätstheorie, das alles, was Masse besitzt und sich der Lichtgeschwindigkeit nähert, e
ine unendliche Masse erfahren würde.
Da das physikalisch nicht möglich ist, kann nichts diese circa dreihunderttausend Kilometer pro Sekunde erreichen.
Licht hat aber auch eine Masse, denn Photonen sind Teilchen wie andere Teilchen auch und besitzen eine Masse.
Warum also? Kann sich denn nun Licht, also Photonen, Lichtteilchen, mit eben dieser Geschwindigkeit fortbewegen?
Ja und da ich mit diesem Dilemma nicht klar kam, habe ich eben dem besagten Physik-Lehrer um Rat und Tat gefragt.
Es kam auch eine Antwort, die ich euch hier verlesen möchte.
Lieber xxxxxxx vielen Dank für deine Nachricht. Ich hoffe, dass ihr auch schöne xxxxxxx hattet und euch nicht nur mit den physikalischen Dilemma herumgeschlagen habt.
Man muss beim relativistischen Massebegriff zwischen der Ruhemasse m 0 eines Teilchens und der dynamischen Masse mv eines mit der Geschwindigkeit V bewegten Teilchens unterscheiden.
Es gilt, mv ist gleich Gamma mal m 0, mit Gamma ist gleich eins minus, kann auf V durch C, Klammer zu hoch zwei, mal
-0,5 mit der Lichtgeschwindigkeit C.
Für ein normales Teilchen wächst die dynamische Masse gegen unendlich, wenn die Teilchengeschwindigkeit sich der Lichtgeschwindigkeit annähert.
Für die Gesamtenergie kinetische Energie plus Ruhemasse des Teilchens gilt dann, E ist gleich mv mal C hoch zwei.
Energie wächst also ebenfalls hin zum unendlichen wenn die Geschwindigkeit sich der Lichtgeschwindigkeit annähert. Ein Teilchen mit einer hohe Masse ungleich null kann also nicht die Lichtgeschwindigkeit erreichen.
Quantenphysik eingeführten Lichtteilchen Photonen haben eine bestimmte Energie, die von der Frequenz F des Lichts abhängt
E ist gleich HF. Mit dem planckschen Wirkungsquantum H,
der relativistischen Energiemassebeziehung kann dem Photon eine dynamische Masse M zugeordnet werden. M ist gleich E durch C hoch zwei, ist gleich H, F durch C hoch 2.
Diese hängt von den Frequenz des Photons ab, dass
diese Zuschreibung einer Masse Sinn macht, kann zum Beispiel im Comptoneffekt dem elastischen Stoß zwischen Photonen und Elektronen gezeigt werden.
Nun bewegen sich Photon mit der Lichtgeschwindigkeit, damit obigere Zusammenhang zwischen dynamischer Masse und Ruhemasse, mv ist gleich Gamma gültig bleibt, muss die Ruhemasse des Photons 0 sein.
Wird ja unendlich groß, wenn V sich gegen C bewegt.
In anderen Worten, Teilchen mit Ruhemasse null, müssen sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, da sie sonst keine Energie besitzen würden.
Ich hoffe damit etwas zur Klärung eures vermeintlichen Dilemmas beitragen zu können. Im Internet gibt es aber auch eine Vielzahl von Artikeln zum Thema Photonenmasse, die hilfreich sein könnten. Liebe Grüße, xxxxxxx.
Lieber Herr Physiklehrer, eine wunderschöne Erklärung verschwendet, würde ich mal sagen. Oder habt ihr was verstanden? Also ich nicht wirklich. Nicht beim ersten mal durchlesen, nicht beim zweiten mal und auch nicht beim fünften mal.
Aber ich werde mal versuchen, die Ausführung etwas, ich sage mal, volksnäher zu erläutern.
Man muss also zwischen einer Ruhemasse und der dynamischen, also der bewegten Masse, eines Teilchens, unterscheiden.
Wie ich angenommen hatte, wächst die bewegliche Masse gegen unendlich bei einem normalen Teilchen,
Das geht ja nicht und deswegen kann kein Teilchen das Masse hat die Lichtgeschwindigkeit erreichen. So weit, so gut. Aber jetzt wird's äh ein bisschen komplizierter.
Er schreibt, dass die in der Quantenphysik eingeführten Lichtteilchen, die sogenannten Photonen, e
ine bestimmte Energie aufweisen, die von der Frequenz abhängt. Ja, das ist richtig, hängt mit dem Wirkungsquantum zusammen, habe ich euch in der Folge.
Plancklänge, Wirkungsquantum und Co ausführlich erklärt,
auch, dass diese Photonen eine bestimmte Energie transportieren können und das wiederum vom Wirkungsquantum abhängt, ist auch in dieser Folge erläutert worden.
Im weiteren erklärt er nun ganz ausführlich, warum jetzt Photonen eine Ruhemasse von Null haben müssen.
Ist auch klar, denn würden Sie eine Ruhemasse besitzen, wie das andere normale Teilchen auch, w
ürde ihre Energie und ihre Masse bei der oben genannten Lichtgeschwindigkeit von 300.000 Kilometer pro Sekunde ins Unendliche gehen und das gibt es ja nicht,
Kurz und gut und möglichst einfach gesagt, sind Photonen also tatsächlich m
asselose Teilchen, zu mindestens in Ruhe und sobald sie sich in Bewegung versetzen, erhalten sie Energie.
Ja natürlich Photonen sind immer in Bewegung. Mir ist kein Beispiel bekannt, indem ein Photon, also ein Lichtteilchen, jemals still gestanden hätte.
Angeblich soll es irgendwelchen Physikern mal im Labor gelungen sein, Photonen tatsächlich mittels enormer magnetischer Kräfte zum Stillstand zu bringen, aber ich habe davon auch jetzt weiter nicht viel mehr von gehört.
In der normalen Physik im Alltagsleben sind Photonen immer in Bewegung und erhalten durch die Bewegung Energie.
Haben aber eine Ruhemasse von null und können sich deswegen mit der oben genannten Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.
Nun meine lieben Freunde, was soll ich sagen? Meditieren darüber ich werde.
Verbleibe mit freundlichen Grüßen euer Alex der Geschichtenerzähler.