Wo endet eine elektromagnetische Welle?

 

Nach meinem bisherigen Verständnis ist eine elektromagnetische Welle

• einerseits eine sich ausbreitende Potentialschwankung (= eine Schwankung der Potentialhöhe im elektromagnetischen Feld des Universums vergleichbar mit der Schwankung des Wasserpegels, die in einem ruhenden See entsteht, wenn man die Wasseroberfläche mal kurz antippt),

• andererseits aber ist sie auch eine Energieportion, deren Größe sich aus der Frequenz der Welle errechnet. Als solche ist sie Wirkungspotential, das sich nur ganz oder gar nicht abbauen kann (wobei man jedem Ort die Wahrscheinlichkeit zuordnen kann, mit der es sich dort abbauen wird).

So weit, so gut.

Spannend aber wird es, wenn man sich frägt, wo eine solche Welle — als Potentialschwankung des elektromagnetischen Feldes — denn eigentlich endet für den Fall, dass die Welle durch eine Einzelphotonenquelle erzeugt wurde und sich als Wirkungspotential noch NICHT abgebaut hat.

Wo bitte ist das Ende dieser Welle, deren Anfang (bzw. deren Front) sich von der Quelle mit Lichtgeschwindigkeit entfernt?
Kann mir das jemand sagen?


Versuch einer Antwort:

Der Vergleich mit einer Wasserwelle hinkt (in diesem Fall wenigstens), da das Antippen der Wasserobefläche ein makroskopischer Vorgang ist, der einen gedämpften Ozillator startet. Die Dämpfung bewirkt, dass jene Wasserwelle  l a n g s a m   erstirbt.

Wo eine Einzelphotonenquelle ein Photon aussendet, wird ja wohl in einem ihrer Atome ein angeregtes Elektron zurück in einen weniger energiereichen Zustand fallen, und die Energiedifferenz wird das so auf die Reise gesandte Energiepaket. Da dieser Vorgang aber — wie die Quantenphysiker meinen — instantan ist, also keinerlei Zeit in Anspruch nimmt, müssten in diesem Fall Wellenfront und Wellenende stets gleich weit von der Lichtquelle entfernt sein.


Wenn das stimmt, wäre der Ort, an dem sich das Photon nach t sec befindet,

die Menge aller Punkte, die auf irgend einem Pfad liegen, den das Licht nehmen konnte,
und die — auf diesem Weg gemessen — von der Lichtquelle den Abstand  (t sec) • c  haben.

Es wäre dann also genau so, wie Feynman sagte: Das Photon nimmt  j e d e n  ihm möglichen Weg.



PS: Dass das Photon als Welle keine Ausdehnung in Richtung Lichtquelle hat, gilt für jeden einzelnen Zeitpunkt (aber natürlich nicht über die Zeit hinweg). Ganz anders bei einer Wasserwelle: Bei ihr können Wellentäler und Wellenberge gleichzeitig eintreten.

PS: Dass das Photon mit sich selbst interferieren kann, liegt einfach daran, dass es — wegen am Rand von Hindernissen eintretender Beugung der Welle — auch Wege geben kann, die sich  k r e u z e n  (siehe z.B. das Doppelspalt-Experiment). Auch geeignet gesetzte Spiegel können zu sich kreuzenden Wegen ein und deselben Photons führen.
 

 
Die Argumentation aus 2076-1 zeigt auch:

• Jedes Photon, das schon mindestens t sec existiert, ist ein nicht-lokales Objekt, das gleichzeitig an Orten existiert, die bis zu t • 600.000 km voneinander entfernt sein können.

• Geht das Photon an einer dieser Stellen in einem anderen Quant auf (z.B. in einem Elektron), verschwindet es ohne jede Zeitverzögerung auch an allen anderen Orten (Beweis: Als Energie­portion kann ein Photon nur ganz oder gar nicht existieren).

 

Hallo Grtgrt,

das Problem in Deiner Fragestellung entsteht dadurch, dass Du davon ausgehst, für Photonen vergehe keine Zeit.
Dies ist zwar raumzeitlich betrachtet richtig, da sie sich nur im Raum bewegen. Wenn Du aber in herkömmlicher Betrachungsweise Raum und Zeit trennst und die Bewegung von Photonen auf der Grundlage unserer Maßeinheiten betrachtest, darstellbar in einem einfachen Weg/Zeit-diagramm, dann bewegen sie sich in Raum und Zeit, nämlich in einer Sekunde rund 300000 km.

Dieser Widerspruch läßt sich nur lösen, wenn Du Raum und Zeit als formal gleichwertig ansiehst (Albert Einstein , Anfang seiner Arbeit zur Grundlegung der Allgemeinen Relativitätstheorie, in: "Annalen der Physik", 4. Folge 1916), wo er auf entsprechende Vorstellungen von Minkowski verweist.

Die Beziehung zwischen Raum und Zeit (= Geschwindigkeit) der elektromagnetischen Wellen hat dann den dimensionslosen Wert 1 und erscheint nicht mehr als Höchstgeschwindigkeit aus der Perspektive des Raumes (Weg im Zähler des Bruches), sondern als Grenzgeschwindigkeit, bei der Raum und Zeit ( die Achsen des Koordinatensystems) ihre Bedeutung wechseln.

Du musst Dich also entscheiden zwischen

1. Raumzeitliche (vierdimensionale) Betrachtung: Elektromagnetische Wellen bewegen sich nur auf der Raumachse.

oder

2. Alltägliche Betrachtung mit Trennung von Raum und Zeit; dann aber in einem Koordinatensystem, in dem die Lichtgeschwindigkeit
den Wert 1 hat, weil Raum und Zeit für die Bewegung elektromagnetischer Wellen gleichwertig sind.

Mit anderen Worten: Die Vorstellungen, dass für Photonen keine Zeit vergeht und sie sich mit 300000 km/sec bewegen, passen nicht zusammen,

MfG
Harti

Harti im Beitrag Nr. 2076-3

Zitat:

Mit anderen Worten: Die Vorstellungen, dass für Photonen keine Zeit vergeht und sie sich mit 300000 km/sec bewegen, passen nicht zusammen,

Hallo Harti,
für mich taucht da noch ein anderes Problem auf.

Man kann aber auch mit anderen Worten berechtigt sagen, als Maß für die Dauer, die das Lichtphoton für die Strecke von 300000 km benötigt, zeigt eine Uhr als Messergebnis 1 Sekunde.
Seit wann „vergehen“ Maßeinheiten bezw. Messergebnisse?

Und das ganz ohne die graue Theorie „Raumzeit“, in der ja angeblich alle bewegten Uhren - ruhende gibt es ja dort nicht – langsamer gehen.

Mit welcher und wo, der durch Gravitation verschieden langsam gehenden Uhren, hat man denn dann die Dauer von 1 Sekunde für 300000 km der elektromagnetischen Strahlung Licht gemessen?

Gruß Horst

 

Harti schrieb in Beitrag Nr. 2076-3:

Hallo Grtgrt,

das Problem in Deiner Fragestellung entsteht dadurch, dass Du davon ausgehst, für Photonen vergehe keine Zeit.

Hallo Harti,

beim Verfassen von Beitrag 2076-1 ging ich keineswegs davon aus, dass für Photonen keine Zeit vergehe oder sie sich NUR durch räumliche Dimensionen bewegen.

Was mir hier durch den Kopf ging, war etwas völlig Anderes, nämlich:

• Jede Welle wird durch einen Oszillator erzeugt und hat so — normalerweise — räumliche Ausdehnung in jeder Richtung, in die sich ausbreitet. Man kann das sehr schön sehen am Beispiel einer Wasserwelle: Geschnitten mit einer Ebene, die zum Wasser senkrecht steht und durch den Ausgangspunkt der Welle geht, stellt sich die Welle als eine Schlangenlinie positiver Länge dar. Sie wird dennoch nicht unendlich lang sein, denn sobald der Oszillator aufhört sich zu bewegen, wird die Welle ein Ende bekommen. (Bei Wasser ist das dann der Fall, wenn sich an der Stelle, an der man den Finger ins Wasser getaucht hat, die Wasseroberfläche nicht mehr bewegt.)
   

• Wo ein Rundfunksender Radiowellen erzeugt, passiert folgendes: Die Sendeantenne ist ein Oszillator, der den Pegel des elektromagnetischen Potentials auf und ab bewegt. In diesem Fall allerdings, wird eine ganz  F o l g e  von Photonen erzeugt und ausgesandt, so dass wir hier — makroskopisch gesehen — ebenfalls eine Welle vorfinden, die wir uns als Schlage durch den Raum wandern vorstellen können. Ihr Ende ist erst erreicht, wenn der Sendevorgang abgebrochen wird. Wichtig aber ist: Unterschiedliche Punkte dieser Schlangenlinie entsprechen je zwei Photonen.
   

• Ganz anders aber dort, wo die Quelle nur ein einziges Photon aussendet: In diesem Fall hat die durch den Raum wandernde "Schlange" (= Wellenlinie) die Länge Null. Das liegt daran, dass der die Welle erzeugende Oszillator hier nur über einen Zeitraum arbeitet, der selbst die Länge Null hat.

Wir (als Beobachter des Photons) wissen:

Es wandert mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum — aber nicht als ein Punkt, sondern als sich aufblasende Oberfläche einer Kugel,
 
• deren Radius sich um etwa 300.000 km/sec vergrößert,
   
• die sich — wo das Photon auf Hindernisse trifft — topologisch "verbeult" (bis hin zu Formen, in der sich Teile davon überlappen)
   
• und die genau dann überall aufhört zu existieren, wenn das Photon sich als Energieportion mit einem anderen Quant vereinigt.

Die ein einzelnes Photon darstellende Welle sehen wir erst dann auch als Schlange (analog einer Wasserwelle), wenn wir den "Raum", in dem wir argumentieren, auch mit einer zeitlichen Dimension ausgestattet sehen. Das ist konsistent mit der Tatsache, dass wir jedes Photon, das uns — dem Beobachter — begegnet, als aus der Vergangenheit kommend wahrnehmen.

Das zum Wasserpegel Analoge ist beim Photon der Pegel des elektromagnetischen Potentials in den Punkten der Raumzeit.

Gruß, grtgrt
 

 

Horst schrieb in Beitrag Nr. 2076-4:

 
Mit welcher und wo, der durch Gravitation verschieden langsam gehenden Uhren, hat man denn dann die Dauer von 1 Sekunde für 300000 km der elektromagnetischen Strahlung Licht gemessen?

Hallo Horst:

Es ist stets die Uhr des Beobachters.

Gruß, grtgrt
 

 

Harti schrieb in Beitrag Nr. 2076-3:

Du musst Dich also entscheiden zwischen

1. Raumzeitliche (vierdimensionale) Betrachtung: Elektromagnetische Wellen bewegen sich nur auf der Raumachse.

oder

2. Alltägliche Betrachtung mit Trennung von Raum und Zeit; dann aber in einem Koordinatensystem, in dem die Lichtgeschwindigkeit
den Wert 1 hat, weil Raum und Zeit für die Bewegung elektromagnetischer Wellen gleichwertig sind.

Hallo Harti,

meine Argumentation in Beitrag 2076-5 zeigt:

• Als sich nach vorne schiebende "Schlangen" betrachtet bewegen elektromagnetische Wellen (Photonen) sich NUR DURCH DIE ZEIT.

• Durch den Raum bewegen sich — zeitlich abhängig — nur die Punkte, an denen die Wahrscheinlichkeit, dass das Photon mit anderen Quanten interagiert, nicht Null ist.

Diese Aussagen beschreiben die Sicht des Beobachters (nicht die des Photons, denn Photonen kennen keine Zeit).


Gruß, grtgrt

_{PS: Wo ich sage "als Schlange" meine ich "als zu einer Wasserwelle analoge Potentialwelle".}

 

Grtgrt schrieb in Beitrag Nr. 2076-6:

 

Horst schrieb in Beitrag Nr. 2076-4:

 
Mit welcher und wo, der durch Gravitation verschieden langsam gehenden Uhren, hat man denn dann die Dauer von 1 Sekunde für 300000 km der elektromagnetischen Strahlung Licht gemessen?

Hallo Horst:

Es ist stets die Uhr des Beobachters.

Gruß, grtgrt
 

Hallo Grtgrt

Es war auch danch gefragt, wo sich die Uhr befindet!
Und 1000 Beobachter in 1000 verschieden Gravitationsfeldern im Universum sehen 1000 verschieden langsam gehende Sekundenzeiger ihrer Uhren und damit gäbe es tausend verschiedene Lichtgschwindigkeiten/sec!

Außerdem mißt man mit Uhren nicht "Zeit", sondern vergleicht damit die genormte Bewegungsdauer des Sekundenzeigers mit einer unbekantten Dauer einer Bewegung., mit dem Ergebnis Sekunde als Maßeinheit.
Ist das sooo schwer zu begreifen?

Grtrt

Zitat:

Als sich nach vorne schiebende "Schlangen" betrachtet bewegen elektromagnetische Wellen (Photonen) sich NUR DURCH DIE ZEIT.

Aha, durch die Zeit vwelchen Beobachters denn und wie kommen sie dann ohne Raum vom Sender zum Empfänger ?

Gruß Horst

 

Horst schrieb in Beitrag Nr. 2076-8:

Hallo Grtgrt

Es war auch danach gefragt, wo sich die Uhr befindet!
Und 1000 Beobachter in 1000 verschieden Gravitationsfeldern im Universum sehen 1000 verschieden langsam gehende Sekundenzeiger ihrer Uhren und damit gäbe es tausend verschiedene Lichtgschwindigkeiten/sec!

Außerdem mißt man mit Uhren nicht "Zeit", sondern vergleicht damit die genormte Bewegungsdauer des Sekundenzeigers mit einer unbekantten Dauer einer Bewegung., mit dem Ergebnis Sekunde als Maßeinheit.
 

Die Uhr, lieber Horst,

ist stets der Beobachter selbst (genauer: ein ihm zuzurechnendes Cäsiumatom), denn:

Zitat von http://de.wikipedia.org/wiki/Sekunde:

 
Definitionsgemäß ist die Sekunde das Vielfache der Periode einer Mikrowelle, die mit einem ausgewählten Niveauübergang im Caesiumatom in Resonanz ist.
Daher wird sie als Atomsekunde bezeichnet. Atomuhren basieren auf der Messung dieses Übergangs.
 

Ferner gilt als bisher durch alle einschlägigen Experimente bestens bestätigtes Axiom,

dass sich Licht aus Sicht ALLER Beobachter (d.h. aus Sicht ALLER Cäsiumatome) exakt gleich schnell bewegt.

 

 

Horst schrieb in Beitrag Nr. 2076-8:

grtgrt schrieb in Beitrag Nr. 2076-7:

 
Als sich nach vorne schiebende "Schlangen" betrachtet bewegen elektromagnetische Wellen (Photonen) sich NUR DURCH DIE ZEIT.

Aha, durch die Zeit welchen Beobachters denn und wie kommen sie dann ohne Raum vom Sender zum Empfänger ?

Gruß Horst

Aus Sicht eines Beobachters X bewegen sie sich durch das, was für X die Zeit ist.

Durch den Raum bewegen sie sich nicht als "Schlangen", sondern nur als der Rand jenes Raumbereiches (um die Lichtquelle herum), der zu dem Zeitpunkt, den X als Gegenwart sieht, sämtliche Punkte enthält, an denen die Wahrscheinlichkeit, dass das Photon dort mit einem anderen Quant in Wechselwirkung tritt, positiv ist.

Durch die Raumzeit aber — das ist der durch die zeitliche Dimension ergänzte Raum — bewegen sie sich durchaus auch als Schlangen (d.h. als Potentialwellen, die man sich analog zu Wasserwellen vorstellen kann).

 

Grtgrt im Beitrag Nr. 2076-9

Zitat:

Die Uhr, lieber Horst,

ist stets der Beobachter selbst……

Hallo Grtgrt
Na toll, wenn du also eine Bewegung beobachtest und willst deren Dauer messen, bist du – hokuspokus - selbst eine Uhr!
In welcher Gegend hast du denn da deine Zeiger? :rofl: :rofl:

Gruß Horst