Fotonin nopeus

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Jos kerta fotonilla ei ole massaa niin jos sille syöttäisi lisää energiaa niin menisikö se nopeampaa kuin fotoni kuin jolle ei ole syötetty lisää energiaa, eli voiko fotonia kiihdyttää?

Sivut

Kommentit (22)

Neutroni
Seuraa 
Viestejä23105
Liittynyt16.3.2005
joo
Jos kerta fotonilla ei ole massaa niin jos sille syöttäisi lisää energiaa niin menisikö se nopeampaa kuin fotoni kuin jolle ei ole syötetty lisää energiaa, eli voiko fotonia kiihdyttää?

Ei voi, fotoni kulkee energiastaan riippumatta aina täsmälleen valon nopeudella.

Vierailija

Nopeus ei kasvaisi.

Tätä asiaa pitää lähteä ajattelemaan oikeastaan valon duaalisen luonteen kautta, eli kvanttifysiikan puolelle tässä mennään. Valollahan on olemassa aaltokuva, jolla voidaan selittää mm. valon eteneminen, interferenssi ja diffraktio. Seuraavaksi herää kysymys että miten sähkömagneettiset aallot, eli esimerkiksi valo, vuorovaikuttavat materian kanssa.

Selitys löytyy pohjimmiltaan siitä, että sähkömagneettisella aaltoliikkeellä on olemassa energiakvantti, fotoni, joka voidaan kuvata hiukkasena. Fotonihan keksittiin aikoinaan valosähköisen ilmiön kautta, mutta se ei oikeastaan liity asiaan niin paljon, että sen tarkempi läpikäyminen olisi tarpeellista.

Kuitenkin karkeasti ottaen valosähköisen ilmiön kautta huomattiin että SMG-säteily irrottaa elektroneja metallipinnasta, ja tähän liittyy olennaisena osana ns. pysäytysjännite (tai kynnysjännite), joka ei riipu sähkömagneettisen säteilyn intensiteetistä. Pääteltiin että SMG-säteily luovuttaa energiaa elektronille, ja luovutetun energian määrä on E=hf, jossa h on Planckin vakio ja f säteilyn taajuus. Koska Planckin vakio on vakio, voidaan energiakvantin eli fotonin energiaa kasvattaa kasvattamalla taajuutta.

Eli jos teoriasi olisi oikea, kulkisi punainen valo eri nopeudella kuin vaikkapa sininen.

Vierailija

Eikö tuo nopeuden muuttuminen johtaisi siihen, että kaikki säteily olisi aallonpituudeltaan samaa tai ainakin lähempänä toisiaan? Siis (kylmästi) tihemmät aallot tulisivat hitaampaa ja (kuumasti) harvemmat aallot nopeampaa. No juu, eiköhän riitä taas tuo aihe tältä päivältä.

Vierailija
Neutroni
joo
Jos kerta fotonilla ei ole massaa niin jos sille syöttäisi lisää energiaa niin menisikö se nopeampaa kuin fotoni kuin jolle ei ole syötetty lisää energiaa, eli voiko fotonia kiihdyttää?



Ei voi, fotoni kulkee energiastaan riippumatta aina täsmälleen valon nopeudella.

mutta hidastaahan sitä kyllä voi

Neutroni
Seuraa 
Viestejä23105
Liittynyt16.3.2005
joo

mutta hidastaahan sitä kyllä voi

Ei voi, fotoni etenee aina valon nopeudella. Valon hitaampi etenemisnopeus väliaineessa voidaan kuvata sirontaprosesseilla, joissa fotoni absorboituu hetkeksi ja emittoituu sitten uudelleen.

Vierailija

Jaahas...
"Esimerkiksi sininen ja punainen valo erottuvat monissa tilanteissa, koska niillä on erilainen nopeus."
http://www.intsys.fi/Keskustelualueet/Kaikki%20keskustelut/0000F2B5-8000...

Tuo ei siis pidä paikkaansa.

Edit: Poistin moitteen ristiriitaisuudesta, teksti on loogisesti oikein moittimaltani osalta.

Edit2: Äh. Onpas kuitenkin ristiriitainen: Valo hitaampi katolla kuin kellarissa, vaikka valon pitäisi olla hitaampi gravitonitihentymissä, eli kellarissa.

Neutroni
Seuraa 
Viestejä23105
Liittynyt16.3.2005
Puolihullu

"Esimerkiksi sininen ja punainen valo erottuvat monissa tilanteissa, koska niillä on erilainen nopeus."
http://www.intsys.fi/Keskustelualueet/Kaikki%20keskustelut/0000F2B5-8000...

Tuo ei siis pidä paikkaansa.

Ei todellakaan. Nuo gravitonihöpinät voidaan jättää omaan arvoonsa. Toistaiseksi ei ole olemassa mitään toimivaa teoriaa painovoimalle, jossa painovoima olisi kvantittunut gravitoneiksi.

Valon nopeus ei muutu painovoiman vaikutuksesta. Painovoima voi kyllä muuttaa fotonien energiaa, eli valon taajuutta.

Väliaineessa eri energiset fotonit tosiaan näyttävät etenevän eri nopeuksilla, mutta kvanttisähködynamiikka selittää asian mainitsemillani sirontaprosesseilla. Itse en teorian yksityiskohtia tunne.

Vierailija
jos sille syöttäisi lisää energiaa niin menisikö se nopeampaa kuin fotoni kuin jolle ei ole syötetty lisää energiaa

Jos skaalaat SI-järjestelmän yksiköt Planckin vakion suhteen sopivasti niin kaavatkin muuttuvat kohtuu suoraviivaisiksi ymmärtää:
http://en.wikipedia.org/wiki/Planck_units

Täältä voit kaivaa esiin yhteyden, jossa fotonin/hiukkasen energia on sama kuin sen kulmataajuus. Toisin sanoen: Jos kasvatat fotonin energiaa, kasvaa myös sen kulmataajuus eli aallonpituus lyhenee. (Jos kasvatat radioaallon energiaa, saat joskus aikaiseksi gammasäteilyä.)

Vierailija
Neutroni
Puolihullu

"Esimerkiksi sininen ja punainen valo erottuvat monissa tilanteissa, koska niillä on erilainen nopeus."
http://www.intsys.fi/Keskustelualueet/Kaikki%20keskustelut/0000F2B5-8000...

Tuo ei siis pidä paikkaansa.




Ei todellakaan. Nuo gravitonihöpinät voidaan jättää omaan arvoonsa. Toistaiseksi ei ole olemassa mitään toimivaa teoriaa painovoimalle, jossa painovoima olisi kvantittunut gravitoneiksi.

Valon nopeus ei muutu painovoiman vaikutuksesta. Painovoima voi kyllä muuttaa fotonien energiaa, eli valon taajuutta.

Väliaineessa eri energiset fotonit tosiaan näyttävät etenevän eri nopeuksilla, mutta kvanttisähködynamiikka selittää asian mainitsemillani sirontaprosesseilla. Itse en teorian yksityiskohtia tunne.

Mitenkäs mustassa aukossa käy, kun valo ei sieltä pois pääse. Tulkitaanko niin, että matka kasvaa äärettömäksi, vai onko se erikoistapaus, jossa painovoima muuttaa/pysäyttää valon nopeuden? Vai hajoaako fotonitkin siellä? Heh, tulipas mieleen, että sehän on eräänlainen vastaus kertolaskulle ∞*0, siis ääretön vetovoima * massaton kappale? Vastaus on sitten jotain imaginääristä, Hawkingin säteilyä.
(Onpas hauska olla pihalla, niin voi kehitellä kaikennäköistä. Älkää ottako vakavasti.)

Vierailija
Puolihullu
Mitenkäs mustassa aukossa käy, kun valo ei sieltä pois pääse. Tulkitaanko niin, että matka kasvaa äärettömäksi, vai onko se erikoistapaus, jossa painovoima muuttaa/pysäyttää valon nopeuden? Vai hajoaako fotonitkin siellä? Heh, tulipas mieleen, että sehän on eräänlainen vastaus kertolaskulle ∞*0, siis ääretön vetovoima * massaton kappale? Vastaus on sitten jotain imaginääristä, Hawkingin säteilyä.
(Onpas hauska olla pihalla, niin voi kehitellä kaikennäköistä. Älkää ottako vakavasti.)

Nopeasti ajateltuna tämä asia ei todellakaan vaadi edes mitenkään kovinkaan monimutkaista selitystä.

Mustan aukon ääretön gravitaatiovoima ei missään vaiheessa aiheuta fotonin nopeuden muutosta. Massattomalla (luksoni) fotonilla on nopeus c, jolla se etenee johonkin tiettyyn suuntaan neliulotteisessa avaruudessa. Mikäli fotoni joutuu tarpeeksi lähelle mustaa aukkoa, alkaa mustan aukon massakeskittymän painovoima vaikuttamaan fotonin liikemassaan ja kaartamaan fotonin suuntaa kohti mustan aukon ydintä, eli tapahtuu valon taipuminen.

Mikäli fotoni oli matkallaan kohti mustaa aukkoa valmiiksi riittävän läheisellä radalla mustaan aukkoon nähden, eli siis jos fotoni joutuu mustan aukon tapahtumahorisontin sisäpuolelle, taipuu valo niin paljon, että mustan aukon painovoima imaisee fotonin itseään kohti - fotonin, joka liikkuu jatkuvasti valonnopeudella: mustan aukon ominaisuudet vaikuttavat ainoastaan fotonin suuntaan, ei nopeuteen. Tapahtumahorisontin sisäpuolellahan pakonopeus ylittää valon nopeuden. Lyhyesti voisi sanoa, että aika-avaruus on niin vahvasti kaareutunut, että jokainen valonsäde pyrkii kohti keskustaa.

Jouduttuaan mustan aukon tapahtumahorisontin sisäpuolelle valo taipuu ja fotoni joutuu lopulta mustan aukon singulariteettiin, jossa valo absorboituu ja kenties luovuttaa energiansa jollekin elektronille kohdatessaan mustan aukon keskuksen massan, aivan samalla kuin se absorboituisi osuessaan mihin tahansa massalliseen kappaleeseen - vaikkapa sinun kotitalosi seinään. Tällöin fotoni lakkaa olemasta, myös mustassa aukossa.

Itseäni mustissa aukoissa kiinnostaa se, että kuinka joitain mustia aukkoja voidaan sanoa pieniksi mustiksi aukoiksi, ja joitain toisia taas suuremmiksi. Miten mustilla aukoilla voi olla kokoeroja, jos jokaisen singulariteetti on pistemäinen olio ja painovoima on ääretön.

Toinen minua kiinnostava asia on takioni. Takionihan on oletetusti hiukkanen, jolla on kompleksinen lepomassa ja joka kokee ajan kompleksisena. Takioni teoreettisesti ottaen kulkee aina valoa nopeammin. Lisäksi ehkä mielenkiintoisimpana erikoisuutena; takionin nopeus kasvaa kun energia vähenee.

Vierailija
Janne Mikola
Mikäli fotoni oli matkallaan kohti mustaa aukkoa valmiiksi riittävän läheisellä radalla mustaan aukkoon nähden, eli siis jos fotoni joutuu mustan aukon tapahtumahorisontin sisäpuolelle, taipuu valo niin paljon, että mustan aukon painovoima imaisee fotonin itseään kohti

Itse asiassa mustan aukon tapahtumahorisontin sisäpuolella avaruusaika on kaareutunut siten, että ainoa mahdollinen etenemistie on kohti singulariteettia. Eli jos fotoni voisi kääntyillä, olisi ihan sama miten se kääntyilisi, sillä kaikki tiet vievät kohti singulariteettia.

Itseäni mustissa aukoissa kiinnostaa se, että kuinka joitain mustia aukkoja voidaan sanoa pieniksi mustiksi aukoiksi, ja joitain toisia taas suuremmiksi. Miten mustilla aukoilla voi olla kokoeroja, jos jokaisen singulariteetti on pistemäinen olio ja painovoima on ääretön.

Mustilla aukoilla on painovoimavaikutus ja pienillä se kaareuttaa avaruutta vain vähän ja isoilla enemmän. Lisäksi pienillä aukoilla tapahtumahorisontti on lähempänä singulariteettia kuin isoilla ja pienillä aukoilla on korkeampi lämpötila kuin suurilla.

Ainakin tällä hetkellä singulariteetti on pelkästään matematiikasta saatu käsite. Itse pitäisin hyvin epätodennäköisenä, että singulariteettia on todella olemassa. Säieteoreetikot ovat ilmeisesti pystyneet "tekemään" mustan aukon, jossa singulariteettia ei enää ole.

Takionihan on oletetusti hiukkanen, jolla on kompleksinen lepomassa ja joka kokee ajan kompleksisena. Takioni teoreettisesti ottaen kulkee aina valoa nopeammin. Lisäksi ehkä mielenkiintoisimpana erikoisuutena; takionin nopeus kasvaa kun energia vähenee.

Takioneja on ilmeisesti yritetty jollain tasolla etsiä, mutta tällä hetkellä katsotaan, ettei niitä ole olemassa.

Vierailija
Arla

Itse asiassa mustan aukon tapahtumahorisontin sisäpuolella avaruusaika on kaareutunut siten, että ainoa mahdollinen etenemistie on kohti singulariteettia. Eli jos fotoni voisi kääntyillä, olisi ihan sama miten se kääntyilisi, sillä kaikki tiet vievät kohti singulariteettia.

Tässä vaiheessa tekisi vielä kysyä miksi ja miten... Löytyykö siihen esim jotain (yksinkertaista) kaavaa josta sen näkisi suunnan hällävälisminä?

Vierailija

Janne Mikola kirjoittaa: Toinen minua kiinnostava asia on takioni. Takionihan on oletetusti hiukkanen, jolla on kompleksinen lepomassa ja joka kokee ajan kompleksisena. Takioni teoreettisesti ottaen kulkee aina valoa nopeammin. Lisäksi ehkä mielenkiintoisimpana erikoisuutena; takionin nopeus kasvaa kun energia vähenee.[/quote]

Kysyn:
Saako maallikkona ihmetellä tällaista, kun en ole koskaan takionista kuullut!

Takioni kulkee valoa nopeammin!
Valon nopeudessa aika pysähtyy, eikö niin?
Takionin nopeus kasvaa, kun energia vähenee!

Sehän tarkoittaa teoriassa sitä, että siinä mennään ajassa takaperin? Ymmärsinkö oikein? Edes teoriassa?

Vierailija
Hurskapöllö

Kysyn:
Saako maallikkona ihmetellä tällaista, kun en ole koskaan takionista kuullut!

Takioni kulkee valoa nopeammin!
Valon nopeudessa aika pysähtyy, eikö niin?
Takionin nopeus kasvaa, kun energia vähenee!

Sehän tarkoittaa teoriassa sitä, että siinä mennään ajassa takaperin? Ymmärsinkö oikein? Edes teoriassa?

Käytin takionin yhteydessä ihan tarkoituksella sanaa "oletetusti". Takioni (joskus myös takyoni) on siis vain hypoteettinen hiukkanen, jonka olemassaoloa on teoretisoitu jonkin verran, mutta jota ei ole luonnossa koskaan tavattu.

Teoretisointi takionin taustalla menee suhteellisuusteoreettisesti sen verran monimutkaiseksi, että en todellakaan väitä ymmärtäväni sitä, ja juuri siksi olen takionista teorian kannalta kiinnostunut. Minulle tuottaa jo ongelmia hahmottaa, että mitä esimerkiksi kompleksinen (imaginäärinen) massa, jollainen takionilla oletetusti on, voisi olla.

Kun oletetaan, että takionin energia ja liikemäärä ovat reaalisia, on sen massa siis imaginäärinen. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että takionin massa on neliöjuuri negatiivisesta luvusta. Erityisen suhteellisuusteorian mukaisesti tästä siis seuraa, että takioni ei voi koskaan liikkua valoa hitaammin.

E = ( mc^2 ) / { sqrt[ 1 - (v^2 / c^2)]}

Jos tässä yhtälössä m on imaginäärinen, pitää myös nimittäjän olla imaginäärinen, koska kahden kompleksiluvun osamäärä on reaalinen, ja takionin energia on oletetusti sellainen. Nimittäjä on luonnollisesti kompleksinen vain silloin, kun v on suurempi kuin c. Tästä teoriassa seuraa se, että takionin pitää aina liikkua nopeammin kuin valo.

Takioneja on tutkittu jo kauan sitten: Arnlod Sommerfeld (1868 - 1951), eli samainen henkilö joka löysi hienorakennevakion, esitti ensimmäisen teoreettisen kuvauksen takionin ominaisuuksista. Takioneja alettiin kuitenkin aika nopeasti pitämään pelkästään mielikuvituksellisina hiukkasina joilla ei ole mitään tekemistä reaalimaailman kanssa. 1900-luvun lopulla takioni-ajatus sai kuitenkin uutta virtaa, kun Philip Croughin ja Roger Clayn modernit esitykset takioniteoriasta esittelivät takionin, jolla on reaalinen massa. Heidän koettaan ei kuitenkaan koskaan ole pystytty toistamaan.

http://scienceworld.wolfram.com/physics/Tachyon.html

Takionit nousevat esille myös puhuttaessa säieteoriasta. Lyhyesti ja yksinkertaisesti sanottuna säieteoria sanoo, että kaikki mitä me näemmä hiukkasina (fotoneina, elektroneina, gravitoneina jne.) ovatkin oikeasti eräänlaisen perussäikeen erilaisia värähtelytiloja. Hiukkasten massat voidaan johtaa perussäikeen värähtelyn taajuudesta ja amplitudista. Takionit nousevat usein esiin kun ajatellaan kaikkia mahdollisia sallittuja perussäikeen värähtelytiloja: joillain olemassaolevilla tiloilla hiukkasen massaksi määräytyy massa, joka on neliöjuuri negatiivisesta luvusta, eli kompleksinen.

Vierailija
Arla
Itse asiassa mustan aukon tapahtumahorisontin sisäpuolella avaruusaika on kaareutunut siten, että ainoa mahdollinen etenemistie on kohti singulariteettia. Eli jos fotoni voisi kääntyillä, olisi ihan sama miten se kääntyilisi, sillä kaikki tiet vievät kohti singulariteettia.

Olet oikeassa, ja noin yritin sanoa kappaleen, josta tekstiäni lainasit, viimeisessä lauseessa.

Mutta taas herää mielenkiinto.

1970-luvun puolivälissä Stephen Hawking sovelsi kvanttikenttäteoriaa mustiin aukkoihin ja niiden tapahtumahorisontin ympärillä kaareutuvaan aika-avaruuteen ja huomasi, että mustat aukot emittoivat lämpösäteilyä (nk. Hawkingin säteily). Muutamaa vuotta aiemmin Hawking oli julistanut tutkimustuloksen jonka mukaan mustien aukkojen koko, eli massa, ei voi koskaan pienentyä, vain kasvaa, joka tarkoittaisi käytännössä sitä, että mustat aukot eivät voi säteillä ulospäin mitään - suhteellisuusteorian mukaisesti edes kvantittunutta energiaa. Kuitenkin, havaittu Hawkingin säteily osoitti sen, että mustat aukot menettävät hiljalleen massaansa energiasäteilyn muodossa.

Hawkingilla oli edessään ongelma.

Vanhan teorian, jolla Stephen Hawking pyrki selittämään mustien aukkojen säteilyä, mukaisesti Hawkingin säteilyn alkuperä on mustan aukon tapahtumahorisontin pinnalla, eikä tämä säteily tuo mitään informaatiota mustan aukon sisäpuolelta, ja tämä energiasäteily on riippumaton mustaan aukkoon sisään menevästä materiasta. Kuitenkin, mikäli mustaan aukkoon sisäänpäin menevä materia on puhtaassa kvanttisessa tilassa, muodonmuutos tästä tilasta Hawkingin säteilyn sekakoosteiseen tilaan tuhoaisi tiedon alkuperäisestä kvanttitilasta. Tämä rikkoo kvanttimekaniikan lakeja.

Hawkingilla oli edessään paradoksi.

Kesti lähes 30 vuotta, ennenkuin vuoden 2004 heinäkuussa Stephen Hawking muutti mielensä vanhan teoriansa suhteen julkaisemalla teorian, jonka mukaan kvanttitason "häiriöt" tapahtumahorisontin pinnalla sallivat informaation karkaamisen mustien aukkojen sisältä. Tällä Hawking pystyisi ratkaisemaan mustiin aukkoihin liittyvän paradoksin. Kuitenkaan tietääkseni teorian tarkempia yksityiskohtia ei ole vielä julkaistu, eikä tiedeyhteisö tästä syystä ole hyväksynyt teorian selittämiä tuloksia.

Pari lähdeviitettä:

http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn6193
http://www.nature.com/news/2004/040712/full/040712-12.html

Ja loppuun vielä kannanotto siitä, että minusta on käsittämätön vääryys, että Stephen Hawking ei koskaan ole saanut Nobelin fysiikanpalkintoa. Sen olisi kuitenkin minusta voinut myöntää vaikka kuinka monesta eri aiheesta; mustien aukkojen tutkimuksesta, alkuräjähdysteorian matemaattisesta tukemisesta, kvanttifysiikan ja termodynamiikan yhdistävästä teoretisoinnista ja vaikkapa matemaattisesta todistuksesta siitä, että universumi on äärellinen aika-avaruuden suhteen.

Sivut

Uusimmat

Suosituimmat