Licht---unendliche masse?

Wissenschaft Physik
#1

ich hätte da mal eine „heikle“ frage:

einstein´s relativistische massenänderung besagt ja:

mv=m0/ sqt(1-(v/c)^2)

dies besagt zwar, dass die lichtgeschwindigkeit (theoretisch) die höchste zu erreichende geschwindigkeit ist, doch gleichzeitig hieße das doch auch, dass licht eine unendliche masse haben müsste, oder nicht?

dies beschäftigt mich schon seit geraumer zeit, daher hoffe ich, von euch eine befriedigende lösung zu erhalten…

mfg schoko (werdender, doch bisher ein bisschen verzweifelter physiker)

#2

Hi,

mv=m0/ sqt(1-(v/c)^2)

dies besagt zwar, dass die lichtgeschwindigkeit (theoretisch)
die höchste zu erreichende geschwindigkeit ist, doch
gleichzeitig hieße das doch auch, dass licht eine unendliche
masse haben müsste, oder nicht?

Licht (Photonen) hat die Ruhemasse m_0=0 und damit immer m_v=0. Aber deswegen hat Licht noch immer nicht auch Impuls gleich null, sondern vielmehr p=E/c. Der hängt nur von der Energie des Photons, also der Farbe des Lichts ab, es fliegt jedenfalls immer gleich schnell (im Vakuum).

Grüsse, Wendel

#3

HAllo

mv=m0/ sqt(1-(v/c)^2)

dies besagt zwar, dass die lichtgeschwindigkeit (theoretisch)
die höchste zu erreichende geschwindigkeit ist, doch
gleichzeitig hieße das doch auch, dass licht eine unendliche
masse haben müsste, oder nicht?

Du musst wissen, daß Licht die Ruhemasse m0=0 hat! Somit ergibt sich für die Masse nach der obigen Formel:

mv=0*unendlich=??

(ja, ich weiß, das ist mathematisch nicht ganz korrekt geschrieben)

Und da kann alles mögliche rauskommen, d.h. nach dieser Formel ist die Masse unbestimmt. Aber es gibt eine andere Möglichkeit die Masse eines Photons auszurechnen, nämlich über die Energie:
Es gilt ja einerseits

E=mc²

und andererseits

E=h*f (siehe Postings weiter unten)

und damit folgt:

m=h*f/c²

Die Masse ist also von der Frequenz abhängig. Alle Fragen beseitigt?

Gruß
Oliver

#4

Licht (Photonen) hat die Ruhemasse m_0=0 und damit immer
m_v=0

Wenn das so wäre, hatte ein Photon KEINEN Impuls, denn die Formel für den Impuls

p=m*v

gilt immer!

#5

HAllo

mv=m0/ sqt(1-(v/c)^2)

dies besagt zwar, dass die lichtgeschwindigkeit (theoretisch)
die höchste zu erreichende geschwindigkeit ist, doch
gleichzeitig hieße das doch auch, dass licht eine unendliche
masse haben müsste, oder nicht?

Du musst wissen, daß Licht die Ruhemasse m0=0 hat! Somit
ergibt sich für die Masse nach der obigen Formel:

mv=0*unendlich=??

Also, wenn ich das meiner Oma erklaeren wollte, wuerde ich es so machen:
Stell dir vor Du hast ein Photon, also ein Lichtteilchen. Dieses Teilchen hat keine Masse, d.h. es existiert (eigentlich) nicht. Dieses nichtexistente Teilchen wird nun beschleunigt und gewinnt somit an Masse. Spaetestens hier wuerde meine Oma stopp sagen und spaetestens hier wuerde ich merken dass ich eigentlich auch nichts verstehe. Geht das Euch Physikern da eigentlich anders? Ich lese hier immer so Sachen wie „(Ruhe-)masselos“ , „ueber den Raum verschmierte Teilchen“, „unendlich“, „sich ausdehnender Raum“, „Vakuumenergie“ u.s.w.
Ich meine, wie kann man unvorstellbare Dinge benutzen, um andere unvorstellbare Dinge zu erklaeren?
War nur 'ne Frage am Rande - keine Kritik, denn ich lese trotzdem gerne mit.

Gruss, Marcus

#6

Ich meine, wie kann man unvorstellbare Dinge benutzen, um
andere unvorstellbare Dinge zu erklaeren?

Die Naturwissenschaft erklärt ja auch nichts. Sie beschreibt die Natur nur so, wie sie ist und das bedeutet, daß sie konsequenterweise auch unvorstellbare Phänomene beschreiben muß wie sie sind. Auch Naturwissenschaftler wünschen sich zuweilen, daß sich die Natur ein wenig verständlicher benimmt, doch den gefallen tut sie uns leider nicht.

#7

Lieber Oliver,

Wenn das so wäre, hatte ein Photon KEINEN Impuls, denn die
Formel für den Impuls

p=m*v

gilt immer!

schon, aber Du musst die relativistische Masse einsetzen, nicht die Ruhemasse:

aus E=m*c^2 … m = E/c^2 … in p=m*v einsetzen:

p= E/c^2 * v gibt mit v=c sofort p=E/c, also ungleich null. Hängt nur noch von der Farbe des Lichts, sprich der Energie der Photonen ab.

Übrigens ist das kein esotherischer Effekt, sondern handfeste Experimentalphysik. Ich schiesse Atomen Licht entgegen, das sie streuen. Dadurch werden sie abgebremst, weil sie den Impuls, also den Rückstoss der Photonen aufnehmen. Wenn Du mal was über Bose-Einstein-Kondensation gehört hast- so wird die Materie so kalt gemacht. Dazu gibts eine super Seite:

http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/lascool1.html

Grüsse, Wendel

#8

Stell dir vor Du hast ein Photon, also ein Lichtteilchen.
Dieses Teilchen hat keine Masse, d.h. es existiert
(eigentlich) nicht.

Hier verwechselst Du etwas bzw. es kommt zu einer Begriffverwirrung. Ein Photon hat keine Ruhe masse. Außerdem ist eine Eigenschaft der Photonen, daß man sie nicht unter Lichtgeschwindigkeit (präziser gesagt spezifische Lichtgeschwindigkeit, denn in Wasser z.B. ist Licht 1,333 mal langsamer als im Vakuum) abbremsen kann, ohne daß sie ettliche Eigenschaften verlieren oder ändern. Daß ein Photon existiert sollte eigentlich unbestritten sein, sonst ist jede weitere Diskussion sinnlos.

Dieses nichtexistente Teilchen wird nun
beschleunigt und gewinnt somit an Masse.

Wie schon gesagt, ein Photon kann nicht beschleunigt werden, weder positiv noch negativ.

Spaetestens hier
wuerde meine Oma stopp sagen

völlig zurecht!!!

und spaetestens hier wuerde ich
merken dass ich eigentlich auch nichts verstehe.

Den EIndruck hab ich auch :wink:

Geht das Euch
Physikern da eigentlich anders?

Wenn man sich etwas mit den Grundlagen beschäftigt, sollten solche Fehler eigentlich nicht passieren (ich bin übrigens Chemiker und somit Halblaie).

Gandalf

#9

Lieber Oliver,

Wenn das so wäre, hatte ein Photon KEINEN Impuls, denn die
Formel für den Impuls

p=m*v

gilt immer!

schon, aber Du musst die relativistische Masse einsetzen,
nicht die Ruhemasse:

Entschuldige, ich dachte dein m_v WÄRE die reltavistische Masse.

#10

Ein Photon hat keine Ruhe masse.
Außerdem ist eine Eigenschaft der Photonen, daß man sie nicht
unter Lichtgeschwindigkeit (präziser gesagt spezifische
Lichtgeschwindigkeit, denn in Wasser z.B. ist Licht 1,333 mal
langsamer als im Vakuum) abbremsen kann, ohne daß sie ettliche
Eigenschaften verlieren oder ändern.

Hallo Gandalf,

Das macht die Sache fuer mich auch nicht einfacher. Ich wuerde mal vermuten, dass dies aussagen soll, dass ein Photon dann keine Masse hat, wenn es sich in Ruhe befindet; -wemgegenueber in Ruhe frage ich erstmal nicht, denn es ist schon so verwirrend genug. Wenn ein Teilchen keine Masse hat existiert es nach meiner Philosophie auch nicht und sogesehen existieren fuer mich auch keine ruhenden Photonen. Ich kann mir vorstellen, dass Du mir soweit sogar Recht geben wuerdest, da Du ja auch sagst, dass Photonen nur dann existieren („ohne Eigenschaften zu verlieren- oder zu aendern“[?]), wenn sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Wenn das Photon also in Glas oder Wasser eintaucht, verliert es nur ein paar Eigenschaften, wird aber nicht abgebremst, da es nicht negativ beschleunigt werden kann; seine Geschwindigkeit ist vorher aber groesser als nachher - Dann habe ich den Begriff Beschleunigung aber irgendwie falsch verstanden. Und was ist, wenn das Licht reflektiert wird? Das Photon bewegt sich vorher und nachher mit c, da es aber die Richtung aendert (um 180°max.) wird es doch zwischendurch auch seine Geschwindigkeit aendern muessen und zwischenzeitlich sogar v=0 haben, dann also keine Masse mehr besitzen und eben nicht mehr existieren…??

Daß ein Photon existiert
sollte eigentlich unbestritten sein, sonst ist jede weitere
Diskussion sinnlos.

Dann sei doch mal ein wenig sinnlos :wink:

Gruss, Marcus

#11

Auch Naturwissenschaftler wünschen sich
zuweilen, daß sich die Natur ein wenig verständlicher benimmt,
doch den gefallen tut sie uns leider nicht.

Das haben sicher vor Keppler auch die Leute gesagt als sie die Bewegungen der Sterne und Planeten zu verstehen versuchten.

Gruss, Marcus

#12

und spaetestens hier wuerde ich
merken dass ich eigentlich auch nichts verstehe.

Den EIndruck hab ich auch :wink:

Geht das Euch
Physikern da eigentlich anders?

Wenn man sich etwas mit den Grundlagen beschäftigt, sollten
solche Fehler eigentlich nicht passieren (ich bin übrigens
Chemiker und somit Halblaie).

Hallo Gandalf
Du bezeichnest dich zwar als Halblaien, tust hier aber so, als hättest du die Weisheit mit Löffeln gegessen. Ich wette, du kannst zwar mathematisch/physikalisch alles wunderbar erklären, aber wie man sich ein masseloses Teilchen denn nun vorstellen soll, abseits der Mathematik, weist auch du nicht, oder?

Rüdiger

#13

Photonen und Masse
In diesem thread sind einige Probleme aufgetaucht an verschieden Stellen…

Diese relativistische Formel

m(v)=m(0)/sqt(1-(v/c)^2)

macht eine Aussage über die Massenzunahme von Teilchen, die eine Ruhemasse m(0) ≠ 0 haben, und sich deshalb mit Geschwindigkeiten v ≠ c bewegen können.

Masselose Teilchen bewegen sich aber grundsätzlich NUR mit
v = c, sie können gar nicht langsamer… Die Rede von einem „ruhenden“ Photon ist also physikalisch sinnlos.

Daß Photonen in Materie sich mit c’ ≤ c bewegen, liegt daran, daß sie an den Hüllenelektronen gestreut werden…
Das gilt auch für reflektierte Photonen: spiegelnde Materien (Metalle) haben sog. Valenzbänder, bestehend aus Elektronen, die nicht eindeutig je einem Atom zugeordnet sind. Mit denen wechselwirkt das Photon, bevor es die Valenzbänder wieder verläßt… Es wird dabei keineswegs „abgebremst“, und wieder „beschleunigt“, wie unten vermutet wurde, aber es kann absorbiert und re-emittiert werden…

Wenn es sich bestätigen sollte, daß Neutrinos nicht masselos sind, dann ist das Photon das einzige bekannte masselose Teilchen. Gluonen (die Bosonen, über die Quarks miteinander wechselwirken) sind auch masselos, sind aber bisher theoretische Teilchen.

Masse ist KEIN Kriterium für die EXISTENZ von Teilchen, denn sie haben jedenfalls noch andere Eigenschaften (durch Quantenzahlen ausgedrückt), die ≠ 0 sind: Photonen haben spin = 1 und Neutrinos haben spin = 1/2.

Photonen haben, wie es Wendel ja schon erklärte, sehr wohl IMPULS, obwohl keine Masse. Der Impuls rechnet sich über die Energie p = E/c. Dieser Impuls, den Licht übertragen kann, erzeugt den bekannten Lichtdruck, der schon einmal bei dem Lichtkreisel hier diskutiert wurde. Daß Licht Lichtdruck ausübt, war eine von Einsteins (später bestätigten) theoretischen Vorhersagen der Speziellen Relativitätstheorie.

Photonen können sogar auch VIRTUELLE MASSE haben: nämlich wenn sie bei hochenergetischen Teilchen-Wechselwirkungen ausgetauscht werden. Sie sind dann aber rein virtuelle Austauschteilchen (virtuell heißt, daß sie ihre kurzzeitige „Existenz“ nur im Rahmen der Unschärferelation haben, d.h. sie sind nicht observabel und haben außer ihrer Emission und Absorption keine Wechselwirkung mit realen Teilchen).

Teilchen-Wechselwirkungen werden durch Gruppen sogenannter Feynmangraphen beschrieben (in der QED, Quantenelektrodynamik), die man auch symbolisch als Weltlinien in einem Raum-Zeit-Diagramm notieren kann. Dabei sind auch Graphen mit im Spiel, bei denen eine Absorption von einem Wechselwirkungspartner zeitlich VOR der Emission durch den anderen Partner stattfindet. Das ist aber in der Sprache der QED nichts besonderes: hier wird z.b. auch ein Positron (das Antiteilchen zum Elektron) als in der Zeit rückwärts propagierendes Elektron beschrieben.

#14

nochmal zur Anschaulichkeit
Warum diese Sachen nicht mehr anschaulich sein können, darüber hab ich unten in dem thread „E=h*f“ schon was geschrieben.

Es ist einfach ein Irrtum, daß die klassische Physik anschaulicher ist als die QM, die RT, bzw. die Teilchenphysik und die Kosmologie. Nur der natürliche GEGENSTANDSBEREICH, über den die klassische Physik handelt, ist großenteils der sinnliche Anschauungsraum - im Gegensatz zu den Gegenstandsbereichen modernen Physiken. Das ist der Unterschied: Die MATERIE im atomaren und subatomaren Bereich (also da, wo die Planckkonstante h „wirksam“ ist) IST (bzw. verhält sich) eben nicht mehr anschaulich (und die klassische Physik kann eben nicht mehr das beschreiben, was dort passiert!). Um so erstaunlicher ist es eben, daß Mathematik und physikalische Theorie es ermöglicht, selbst da noch experimentell überprüfbare Aussagen und Vorhersagen zu machen, wo die Sinne (und damit die Vorstellungskraft) völlig ihren Geist aufgeben müssen…

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#15

Wenn es sich bestätigen sollte, daß Neutrinos nicht masselos
sind, dann ist das Photon das einzige bekannte masselose
Teilchen. Gluonen (die Bosonen, über die Quarks miteinander
wechselwirken) sind auch masselos, sind aber bisher
theoretische Teilchen.

Na ja, nur um die Sache noch komplizierter zu machen:

Alle Teilchen, die Wechselwirkung transportieren sind per se erst einmal masselos. Aber durch den Higgs-Mechanismus erlangen sie am Ende doch Masse.

Dazu gehören das Photon und die Wechselwirkungsteilchen der schwachen Wechselwirkung W+, W- und Z0. Wenn ich mich recht erinnere ist es sogar so, daß diese 4 zunächst einmal masselos sind. Dann nimmt man die Wechselwirkung mit dem (noch hyphotetischen) Higgs dazu und das Photon und das Z0 mischen zu einem neuen beobachtbaren, masselosen Photon und einem neuen, massebehafteten Z0. W+ und W- bekommen dabei ebenfalls Masse.

Nur um den Punkt zu unterstützen, daß man sich kaum mehr etwas vorstellen kann (wie mischen denn Teilchen??), es sich aber sehr gut rechnen lässt.

Thomas

#16

nana…
…nun erzähl aber mal keine Märchen, Thomas

Alle Teilchen, die Wechselwirkung transportieren sind per se
erst einmal masselos. Aber durch den Higgs-Mechanismus
erlangen sie am Ende doch Masse.

Da ist dir einiges durcheinander geraten. Das W±-Boson hat eine Ruhemasse von 81 GeV und das Z° hat 93 Gev.

Worauf du aber anspielst ist die sog. Vereinigung der em- und der schwachen Wechselwirkung, die zusammen mit der starken WW zwischen 10^12 und 10^16 GeV in der sog. Grand Unified Theory (GUT) beschrieben wird. Demnach hat sich die Aufspaltung dieser WWs in einer Zeit abgespielt, als das Universum ca 10^-12 sec alt war. Tatsächlich haben in dieser Phase (bzw. bei den enprechenden Energien) die W- und Z-Bosonen keine Masse und sind so vom Photon nicht unterschieden - d.h. die schwache WW und die em-WW unterscheiden sich bei diesen Energien nicht. Im Labor unterscheiden sie sich aber sehr wohl, wie du ja weißt, und dabei haben die intermediären Bosonen sehr wohl eben ihre Masse.

Der Higgs-Mechanismus (und damit zusammenhängend die Supersymmetrie - SuSy) ist eine von mehren Theorien, die erklären sollen, wieso Teilchen überhaupt Masse haben und warum die jeweils so groß ist wie sie ist. Denn das Standartmodell kann dies nicht erklären.

Nur um den Punkt zu unterstützen, daß man sich kaum mehr etwas
vorstellen kann (wie mischen denn Teilchen??), es sich aber
sehr gut rechnen lässt.

Die Teilchen mischen sich nicht, vielmehr die Zustände, bzw. die Wellenfunktionen, und das ist in der Quantenmechanik eine ganz elementare Rechenprozedur. Zur Anschaulichkeit siehe mein Posting unten drunter…

Gruß
M.G.

Thomas

#17

Da ist dir einiges durcheinander geraten. Das W±-Boson
hat eine Ruhemasse von 81 GeV und das Z° hat 93 Gev.

Hallo

Na ja, ist schon etwa 15 Jahre her, daß ich die Vorlesung über elektroschwache Theorie gehört habe, aber worauf ich anspielte hat nichts mit der grossen Vereinheitlichung zu tun.

Setzt man die elektroschwache Theorie als SU(2)xU(1) Eichfeldtheorie auf, dann haben die darin beschriebenen Wechselwirkungsteilchen (3 von SU)2) und 1 von U(1)) tatsächlich keine Masse, analog zu den 8 Gluonen aus der SU(3) der starken Wechselwirkung.

Die von der reinen Eichfeldtheorie beschriebenen Teilchen sind aber nicht die physikalisch beobachtbaren. Erst durch Hinzunehmen des Higgs-Feldes (da gibt es theoretisch tatsächlich mehrere Varianten) erhält man die physikalisch messbaren Teilchen und diese erhalten eine Masse, die unter anderem auch von der Stärke der Wechselwirkung mit dem Higgs abhängt. Die physikalisch messbaren Teilchen haben dann die von Dir zitierten Massewerte, welches dann tatsächlich die Ruhemassen sind.

Gruß
Thomas

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#18

alles Müller…

alles klar, Thomas - hatte deinen Satz

Alle Teilchen, die Wechselwirkung transportieren sind per se
erst einmal masselos. Aber durch den Higgs-Mechanismus erlangen
sie am Ende doch Masse

fälschlich so gelesen, daß du ihn auf die observablen Teilchen bezögest.

Die von der reinen Eichfeldtheorie beschriebenen Teilchen sind
aber nicht die physikalisch beobachtbaren. Erst durch
Hinzunehmen des Higgs-Feldes (da gibt es theoretisch
tatsächlich mehrere Varianten) erhält man die physikalisch
messbaren Teilchen und diese erhalten eine Masse, die unter
anderem auch von der Stärke der Wechselwirkung mit dem Higgs
abhängt.

Genau das ist das Problem: Auch die SU(5), also die GUT, beschreibt hervorragend die observablen Teilchen, nur eben nicht ihre meßbaren und tatsächlich vorhandenen Ruhemassen. Dafür braucht man den Higgs-Mechanismus…

Gruß
M.G.

#19

Auch Naturwissenschaftler wünschen sich
zuweilen, daß sich die Natur ein wenig verständlicher benimmt,
doch den gefallen tut sie uns leider nicht.

Das haben sicher vor Keppler auch die Leute gesagt als sie die
Bewegungen der Sterne und Planeten zu verstehen versuchten.

Nach Newton haben sie sich das auch gesagt und nach Einstein ist es dann noch schlimmer gekommen.