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Hat Licht eine Masse?

Thema erstellt von Knieinhaber 
Beiträge: 121, Mitglied seit 16 Jahren
hallo....

vor einer weile sah ich eine docu über die suche nach neutrinos...
in dieser wurde unter anderem von den japanern belegt, daß neutrinos eine masse haben..
das bedeutet, daß ihre geschwindigkeit leicht unter der lichtgeschwindigkeit liegt..
ähem.... dieses " leicht " machen etwa 0.005 % aus... ( in etwa...)

es dauerte fast 40 jahre, um das ergebnis von saunders berechnungen zu bestätigen..

in diesem zusammenhang stellt sich bezüglich der photonenmasse auch die frage , ob es auf die " sicht des beobachters " ankommt..
damit meine ich... daß unsere allgemeinen beobachtungen und festlegungen der naturkonstanten umweltangepasst sind...also aus unserem blickwinkel des universums beobachtet..
wie würden wir das universum oder die naturkonstanten beschreiben.. wären wir " venusianer "..
angepasst an eine druckdichte von 90 atmospären... wäre unser " blickwinkel " der gleiche..??
würde die lichtgeschwindigkeit etwas anderes bedeuten...? würden die galaxien genau so schnell auseinander driften.. wie bis dato festgestellt wurde..??
wobei ich erwähnen möchte , daß die astronomen die geschwindigkeit der entferntesten galaxien bis " fast lichtgeschwindigkeit " nach oben korrigiert haben..

ps....

ein anders gepoltes elektron wäre ein positron


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IceBone
Der Beitrag von TimeOut interessiert mich, dummerweiser verstehe ich ihn nicht. Kann das jemand für nicht-Akademiker nochmal bitte wiederholen, also mit Umsetzung der Formeln in Worte ?
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Beiträge: 726, Mitglied seit 16 Jahren
Also, eine Umsetzung der Formeln in Worte dürfte schwierig werden (ich nehme mal an, die Umsetzung z.B. von "m^2 = (E/c^2)^2 - (p/c)^2" in "die Masse zum Quadrat ist gleich der Differenz aus der durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit geteilten Energie minus dem Quadrat des durch die Lichtgeschwindigkeit geteilten Impulses" hilft Dir nicht wirklich weiter :-)). aber ich kann versuchen, möglichst viel von den wesentlichen Punkten in eine formelfreie Sprache zu übertragen. Das Problem dabei ist, daß einige der angegebenen Massen nur mathematisch definiert sind, so daß notwendigerweise etwas auf der Strecke bleibt.

Zunächst vielleicht noch etwas Hintergrund, warum es überhaupt zu dieser Massenvielfalt gekommen ist:

Bei Newton war alles noch ganz einfach: Ein Körper, auf den eine gewisse Kraft wirkt, erfährt eine Beschleunigung. Diese Beschleunigung ist für jeden einzelnen Körper proportional zur Kraft (d.h. die doppelte Kraft ergibt die doppelte Beschleunigung), allerdings beschleunigt dieselbe Kraft verschiedene Körper unterschiedlich stark. Die träge Masse eines Körpers gibt nun an, wie stark der Körper durch eine bestimmte Kraft beschleunigt wird (das ist die Gleichung F = ma). Diese träge Masse taucht nun in vielen verschiedenen Gleichungen auf.

Ein weiterer Aspekt bei Newton ist die Gravitation: Körper ziehen sich gegenseitig an. Wie stark sich zwei Körper anziehen, hängt nun einerseits davon ab, wie weit diese Körper auseinandersind, andererseits aber auch von den Körpern selbst. Wie stark ein Körper andere Körper anzieht bzw. von ihnen angeogen wird, läßt sich durch eine einzelne Größe beschreiben, die die schwere Masse genannt wird. Nun stellt sich aber heraus, daß ein Körper mit der doppelten trägen Masse immer auch die doppelte schwere Masse hat usw., somit kann man beide Massenarten einfach gleichsetzen, und kommt mit einer einzigen Art von Masse aus.

Ok, soweit die "gute alte Newton-Zeit". Nun kam aber Einstein mit seiner Speziellen Relativitätstheorie. Und in dieser mußten die Gleichungen von Newton abgeändert werden (klar, sonst wäre es ja keine neue Theorie). Und da stellt sich eben heraus, daß in verschiedenen Zusammenhängen, in denen bei Newton jeweils die eine Masse steht, unterschiedliche Größen zu stehen kommen. Und damit ergibt sich die Frage, welche dieser vielen Größen man nun meint, wenn man von der Masse spricht.

Zunächst einmal ist die Masse bei Newton eine Eigenschaft eines Körpers, unabhängig von seinem Bewegungszustand. Diese Masse kann außerdem dazu verwendet werden, um den Zusammenhang zwischen der kinetischen Energie und dem Impuls eines Körpers zu beschreiben. Was der Impuls ist, ist ohne Mathematik ziemlich schwierig zu beschreiben; es ist eine Größe, die sowohl mit der Geschwindigkeit, als auch mit der Masse eines Körpers zunimmt. Seine Bedeutung liegt vor allem darin, daß er eine Erhaltungsgröße ist, d.h. wenn ein Körper seinen Impuls ändert, dann nur dadurch, daß er Impuls an einen anderen Körper abgibt. Anschaulich kann man sich den Impuls vielleicht damit klar machen, daß sowohl ein leichtes Objekt mit hoher Geschwindigkeit (z.B. Pistolenkugel) als auch ein schweres Objekt mit geringer Geschwindigkeit (z.B. Hammer) gleich viel kaputtmachen kann.

Nun kann man im Rahmen der Relativitätstheorie ebenfalls eine solche nur vom Körper abhängende Größe angeben, die die korrekte Einheit einer Masse hat und mit deren Hilfe man einen Zusammenhang zwischen Energie und Impuls für das Teilchen angeben kann (der aber anders aussieht als bei Newton). Diese Größe nennt man invariante Masse oder auch Ruhemasse (weil für ruhende Teilchen die anderen Massenterme, insbesondere die nachfolgend beschriebene "relativistische Masse", ebenfalls diesen Wert annehmen). Diese Masse taucht auch in den Formeln für alle anderen beschriebenen "Massenarten" auf. Wenn man sagt, "Das Teilchen soundso hat die Masse soundso", dann ist normalerweise diese Masse gemeint. Für Photonen ist der Zusammenhang zwischen Energie und Impuls so, daß für diese Masse 0 herauskommt.

Die "relativistische Masse" kommt aus dem Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Impuls. Wie gesagt, nimmt der Impuls mit der Geschwindigkeit zu. Nun ist die Zunahme des Impulses mit der Geschwindigkeit bei Newton proportional (doppelte Geschwindigkeit ergibt doppelten Impuls), in der SRT jedoch überproportional (bei doppelter Geschwindigkeit hat ein Objekt mehr als den doppelten Impuls). Man kann aber in der SRT formal dieselbe Gleichung bekommen, indem man den zusätzlichen Anstieg auf die Masse abschiebt: Dann gibt das zusätzlich zur Impulsverdoppelung durch die Geschwindigkeitsverdopplung noch eine zusätzliche Impulserhöhung durch die Massenerhöhung, und alles ist in Butter. Die Masse, die man so erhält, ist geschwindigkeitsabhängig und wird "relativistische Masse" genannt. Für diese gilt allgemein die Äquivalenz mit der Energie (E=mc²), und wenn man sagt "die Masse nimmt mit der Geschwindigkeit zu", dann ist in der Regel diese Masse gemeint. Beim Photon ist diese Masse abhängig von der Frequenz, weil ja (nach der Quantenmechanik) die Energie von der Frequenz abhängt.

Nun kann man sich aber auch auf den Standpunkt stellen, Masse ist das, was mir sagt, welche Kraft zu welcher Beschleunigung führt. Nun ist dieser Zusammenhang in der Relativitätstheorie aber noch komplizierter als der Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Impuls: Welche Kraft welche Beschleunigung verursacht, hängt nämlich nicht nur davon ab, welche Geschwindigkeit das Teilchen hat, sondern auch noch davon, in welche Richtung relativ zur Bewegungsrichtung die Kraft wirkt. (In der Tat ist es sogar noch ein wenig schlimmer: In den meisten Fällen beschleunigt das Teilchen nicht einmal genau in die Richtung, in die die Kraft wirkt!) Um dieses Verhalten zu beschreiben, muß man zwei Grenzfälle betrachten: Entweder die Kraft wirkt genau in Richtung der Bewegung (oder auch in Gegenrichtung, das macht hier keinen Unterschied), oder sie wirkt exakt senkrecht zur Bewegungsrichtung (für diese beiden Spezialfälle ist die Beschleunigung auch stets in Richtung der Kraft). Setzt man dann formal wieder die Newton-Gleichung an, dann erhält man in Bewegungsrichtung die sogenannte longitudinale Masse, und senkrecht dazu die transversale Masse.

Für die longitudinale Masse des Photons stellt man fest: Egal, welche Kraft man auf das Photon ausübt (das Problem, wie man eine Kraft auf das Photon ausübt, lassen wir an dieser Stelle einmal beiseite), man wird es nicht beschleunigen oder abbremsen können, denn Photonen fliegen ja immer mit Lichtgeschwindigkeit. Somit kommen wir zum Ergebnis, daß die longitudinale Masse des Photons unendlich ist (weil es sich "unendlich stark gegen jede Beschleunigung wehrt").

Für die transversale Masse hingegen kommt man auf ein anderes Ergebnis: Ablenken kann man den Lichtstrahl ja. In der Tat kann man mathematisch ausrechnen, daß die transversale Masse gleich der relativistischen Masse sein muß.

Die longitudinale und transversale Masse sind übrigens schon lange "aus der Mode", weil sie einfach zu kompliziert sind und man besser ohne sie auskommt.

Ok, damit hätten wir also die träge Masse erschöpfend behandelt. Jetzt fehlt nur noch die Frage nach der schweren Masse. Das Problem dabei ist, daß wir ja ein Photon nicht einfach auf die Waage legen können, so daß man eine andere Möglichkeit suchen muß. Da ein Photon auf jeden Fall relativistisch ist und das Problem offenbar etwas mit der Gravitation zu tun hat, brauchen wir hier auf jeden Fall die Allgemeine Relativitätstheorie, soviel ist klar. Leider ist mir hier keine Standard-Methode bekannt, daher mußte ich mir etwas eigenes überlegen.

Mein Ansatz war nun folgender:

Die ART liefert ja unter anderem eine Gravitationsrotverschiebung, d.h. ein Photon, das nach oben geschickt wird, verliert Energie und damit auch Impuls. Umgekehrt bekomme ich auch eine Impulsänderung, wenn ich eine Kraft (insbesondere die Schwerkraft) auf eine schwere Masse wirken lasse. Wenn ich also weiß, wie lange die Kraft gewirkt hat, dann kann ich aus der Impulsänderung berechnen, welche Kraft gewirkt hat. Und da die Gravitationskraft gerade schwere Masse mal Erdbeschleunigung ist, kann ich daraus die schwere Masse berechnen. Meine Rechnung hat dann ergeben, daß die so berechnete schwere Masse des Photons wiederum gleich seiner relativistischen Masse ist; allerdings habe ich bei den Rechnungen einiges vernachlässigt, weshalb dieses Ergebnis etwas mit Vorsicht zu genießen ist.
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IceBone
Wow, vielen Dank für den Aufwand den du dir gemacht hast ! Jetzt hab ich sowas wie meinen persönlichen Harald Lesch, Juhu ! ;D.
Ich hab zwar noch nicht alles verstanden, aber mir ist einiges viel klarer geworden, am Rest arbeite ich noch. Ich werde den Beitrag bestimmt noch einige Male lesen und irgendwann noch einige Fragen dazu stellen.
Super Forum, hätte ich viel früher mal entdecken müssen.

freundliche Grüße
IceBone
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Blackhole
Hätten Photonen keine Masse, könnten sie ja ohne Weiteres das Schwarze Loch verlassen
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Beiträge: 726, Mitglied seit 16 Jahren
@IceBone:

Also bis zum Harald Lesch reichts bei mir glaube ich noch nicht :-)

@Blackhole:
Das ist ein Irrtum. Die ART besagt, daß der Weg, den das Teilchen nimmt, eben nicht von der Mase abhängt, sondern vollständig durch die Geometrie der Raumzeit bestimmt wird. Tatsache ist, daß am Ereignishorizont die Lichtgeschwindigkeit gerade eben ausreicht, um an Ort und Stelle zu bleiben; um zu entkommen, müßte man noch schneller sein, das geht aber nicht.
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GeeK
Erstmal ein ganz großes Lob an Timeout! Deine Erklärungen sind ja klasse. Ich hab durch deinen Beitrag soviel verstanden was mir vorher nicht klar war. :)
Aber wie ist das mit dem Impuls von Photonen ? Kann man ihn wirklich "fühlen" oder ist das nur eine theoretische Größe? Wenn er sich wirklich bemerkbar machen würde könnte man ja zwei Spiegel gegenüberstellen, da ein bisschen Licht hin und herfliegen lassen und nach sehr langer Zeit würden sich die Spiegel ausseinanderbewegen wobei sich das Licht bis in Richtung Radiowellen rotverschieben würde.

Zur "dünnen Schicht aus Licht auf dem Mond": Also dass sich eine dünne Schicht aus Licht auf dem Mond anlagert ist schon eine sehr witzige Vorstellung ;-) Es ist ja eher so dass nicht das Licht dort angelagert wird, sondern dieses Licht wird absorbiert und in "niedere" Energie, nämlich der Wärme umgewandelt.
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Beiträge: 726, Mitglied seit 16 Jahren
Danke fuer das Lob!

Was den Impuls des Lichts angeht, der hat wirklich einen Effekt. Wenn Licht vom Spiegel reflektiert wird, dann übt das Licht auf den Spiegel eine Kraft aus (das nennt man Lichtdruck). Er ist nur so klein, daß er in normalen Situationen keine Rolle spielt. Wenn man das gesamte Licht (inklusive Wärmestrahlung) einer 100W-Gluehbirne vollständig und senkrecht auf einen ebenen idealen Spiegel leitet (also die Idealisierung eines realen Spiegels, die 100% aller eintreffenden Strahlung restlos zurueckwirft), dann erfaehrt dieser Spiegel eine Kraft von 6.67*10^-7 N, das ist dieselbe Kraft, die ein auf dem Spiegel liegendes "Staubkorn" mit einer Masse von 68 Millionstel Gramm durch seine Gravitationskraft ausueben wuerde. Mit einem 100GW-Laser könnte man allerdings bereits eine deutliche Kraft auf den Spiegel ausüben. Und in der Tat wird u.a. dieser Effekt in der Fusionsforschung untersucht, um die Fusion zu starten: Ein wenig Wasserstoff wird durch mehrere extrem starke Laser so zusammengepreßt, daß die Fusion darin automatisch startet und dann den restlichen Wasserstoff "zündet".

In einem idealisierten Experiment (oder bei hinreichend intensivem Licht) würden sich die beiden Spiegel also in der Tat so verhalten wie von Dir beschrieben.

Was das "am Boden angesammelte Licht" angeht, so stimmt das teilweise: Ein Teil des Lichts wird am Mondboden absorbiert und in Wärme umgewandelt. Der Rest wird reflektiert und sorgt damit dafuer, daß wir den Mond von der Erde aus sehen können :-) Ein Tischtennisball, der auf dem Boden ankommt, hüpft ja auch wieder nach oben (wobei ein Teil der Energie beim Aufprall in Wärme umgesetzt wird). Wenn der Tennisball schnell genug wäre (und kein Hindernis dazwischen ist), dann könnte er auch ins All entkommen. Licht ist aber immer schnell genug (solange wir uns nicht in einem schwarzen Loch befinden, aber das ist eine andere Geschichte).

In einem geschlossenen, fensterlosen Raum wird das Licht allerdings sehr rasch vollständig in Wärme umgesetzt sein (deshalb wird es ja auch sofort dunkel, wenn wir das Licht ausschalten).
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Beiträge: 1, Mitglied seit 14 Jahren
Hallo,

es würde erklärt das Photonen einen Impuls haben und das Photonen in ihrer Geschichwindigkeit nicht auf beeinflusst werden kann, nur in ihrer Richtung,
-Bekannter maßen sehen ,wir ja nur weil unser Auge die Reflextion ,des Lichtes an anderen Objekten auffängt und verarbeitet!!
-Desweiteren wurde ausgeführt das Photonen beim Aufprall auf ein Objekt (unser beispiel Mond), Wärme erzeugen , und sich deshalb keine Photon ablagern.


Dies ist eine Formel zur Bestimmung , der "bewegt Masse" im vergleich zur beruhe Masse:

mo mo = ruhe masse
m= ____________

wurzel aus :1 - V²/c²


wenn nun wie sagst die Photonen nicht in der Geschwindigkeit beeinflusst werden können , sie beim Aufprall ,Wärme freisetzten (kinetische energie in Wärme) und dann totzdem reflektiert werden , verliere ich irgend wie den faden, im verstandniss.

wenn C= constant ist ,Wärme erzeugt wird und das Licht weiter reflektier wird ,wie kann es dann sein das ein einem schon erwähnten Dunkelen Raum nach ausschalten, das Licht verschwintet.
Ok das es in wäre umgewandelt wir ist klar aber dann passt doch die Behauptung nicht das Photonen in der Geschwindigkeit constant sind ,den dann müssten sie ja noch lange Zeit noch dem erlöschen der Lichtquelle für Licht sorgen und trotzdem ,an die umgebung wärme abgeben !!!

Also bei mir drangt sich da eher der gedanke auf das sich durch den Aufprall Photonen abgebremmst werden , bei der genannten Formel wurde ihr masse gegen 0 gehen und nach der völligem umwandeln der energie in wärme das photon, mal ganz trivial ausgedruckt, verschwindet!!!!?

Un was mich auch mal interessiert , wir haben sonnenlicht und können kunstlich mit Feuer, lampen in allen intensitäten,Blitzen Licht erzeugen : ist das prinzipell das vom Gesichtpunkt der Photonen das selbe mit der ausnahme
das die wellenlänge und somit die intensität eine andere ist?

kann mir das noch mal ein begreiffbar machen ?

und ums mal auf einen nenner zu bringen, Hat licht nun eine masse und ist die ablenkung des lichtes auf Grund ,gravitation von planeten zu verstehen ,oder wird die ablenkung durch die krümmung den raumes erzeugt, welche im enteffekt von der gravitation erzeugt wir,das licht an sich aber kein masse besitzt,

Bitte mal ein ja oder nein , mit begründung


MFG Ensy
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Beiträge: 27, Mitglied seit 14 Jahren
Zitat:
Hier kommt man aber zum Problem, dass in der Relativitätstheorie die Trägheit von der Richtung zwischen Geschwindigkeit und Kraft abhängt. Dies sieht man sehr schön am Photon: Egal, welche Kraft man in Bewegungsrichtung ausübt, man wird die Geschwindigkeit des Photons nicht verändern (weil es ja immer mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist); die Erhöhung des Impulses führt nicht zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit. Die "longitudinale Masse" des Elektrons ist also unendlich.

Eine Kraft senkrecht zur Bewegungsrichtung hingegen bedeutet keine Änderung des Geschwindigkeitsbetrags, sondern eine Richtungsänderung, und die ist beim Licht sebstverständlich möglich. In der Tat kann man ausrechnen, dass die "transversale Masse" des Photons gerade wieder E/c^2 ist.


Wenn jetzt die Erhöhung eine Impulses nicht zur Erhöhung der Geschwindigkeit führt, in welche Form geht die Energie dann über? Kann das Photon einfach ernergiereicher werden, also sich erhitzen??
Weil irgendwo muss die Energie ja hingehen, sie kann ja nicht vernichtet werden ....
Oder wird die Frequenz des Photons hierbei erhöht?
Aber das mit der Frewuenz verstehe ich leider immer noch nicht.
Wenn ein Photon eine Frequenz hat, schwingt es doch, bzw. bewegt sich immer "hoch und runter " .
Zu dieser Bewegung kommt aber doch noch die eigendlich Bewegung des Photons, also z.b. die Bewegung von der Sonner zur Erde.
Was wird jetzt als Lichtgeschwindigkeit bezeichnet, nur die Bewegung von Sonne zur Erde, also nur über die direkte Distanz,
oder wird als Lichtgeschwindigkeit die "richtige" Geschwindigkeit der Photonen bezeichnet, also die resultierende Geschwindigkeit in der die Frequenz , die Auf- und Abbewegung , des Photons mit berücksichtigt wird?
Vielleicht steckt die Antwort ja in dem Begriff "longitudinale Masse", aber leider verstehe ich das nicht XD .

Wenn die Kraft nun aber ganz genau senkrecht zur Bewegungsrichtung des Photons wirkt, kann das Photon doch nicht abgelenkt werden !?!?
Das entspräche doch eher einer Absorbtion des Lichtes, oder? Sprich, es ist der gleiche Effekt, wie wenn Licht auf einen Gegenstand trift uns absorbiert wird.



Bisher habe ich mir ein Photon immer als Energieträger vorgestellt.
Kann es aber auch sein, dass ein Photon einfach der Begriff für eine durch den Raum flitzende Energieportion ist?
Dass ein Photon eben nur aus Energie besteht und sonst aus nichts!?

Beitrag zuletzt bearbeitet von !lukas! am 07.04.2007 um 11:26 Uhr.
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Beiträge: 1.052, Mitglied seit 15 Jahren
*@ !lukas!
Zitat:
Vielleicht steckt die Antwort ja in dem Begriff "longitudinale Masse", aber leider verstehe ich das nicht XD .


http://de.wikibooks.org/wiki/Ruhemasse_und_relativi... >longitudinale und transversale Masse<

Zitat:
Bisher habe ich mir ein Photon immer als Energieträger vorgestellt.
Kann es aber auch sein, dass ein Photon einfach der Begriff für eine durch den Raum flitzende Energieportion ist?
Dass ein Photon eben nur aus Energie besteht und sonst aus nichts!?

Dazu erstmal : der Lorenz Attraktor


http://www.math.tu-cottbus.de/INSTITUT/lsam/CompPhy... (bewegte Grafik)

Eine Interprettation aus WiKi: http://de.wikipedia.org/wiki/Lorenz-Attraktor ... der Lorenz-Attraktor bezieht sich auf eine math. Formel :

E = mc2 -->Addiere die Infos !

Real
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