Über- und Unterlichtgeschwindigkeit

Wissenschaft Physik
#1

Die Brechzahl in Caesium ist kleiner 1, daher hat Licht dort eine höhere Geschwindigkeit als im Vakuum.
Das soll aber nur für die Phasen- bzw. Gruppengeschwindigkeit gelten und daher wäre keine Signalübertragung möglich.

Forscher haben die Lichtgeschwindigkeit in bestimmten Materien schon auf 17m/s heruntergebracht. Wird hier die Information trotzdem noch mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit übertragen?

Ich verstehe den Zusammenhang dieser Geschwindigkeiten nicht, Erklärungen der Gruppen- bzw. Phasengeschwindigkeiten basieren auf verschiedenen Wellenlängen oder Dispersion. Was ist also bei einer einzigen monochromatischen Elementarwelle die Phase und was die Gruppe?
Ließe sich damit kein Signal übertragen?

Wie hängen diese Größen mit der Gleichung c=f*λ zusammen?

Grüße
Marcel

#2

Was ist also
bei einer einzigen monochromatischen Elementarwelle die Phase
und was die Gruppe?

Bei einer monochromatischen Welle gibt es keine Gruppengeschwindigkeit. Sowas tritt nur bei Wellenpaketen auf und die setzen sich aus Wellen unterschiedlicher Frequenzen zusammen.

Ließe sich damit kein Signal übertragen?

Nein.

#3

Hallo

Die Brechzahl in Caesium ist kleiner 1, daher hat Licht dort
eine höhere Geschwindigkeit als im Vakuum.

Das kommt mir seltsam vor.
So weit ich weiß, ist Cäsium ein Metall und somit geht Licht keine nennenswerte Strecke hindurch.
Licht geht durch keine Materie schneller hindurch als durch das Vakuum.

Forscher haben die Lichtgeschwindigkeit in bestimmten Materien
schon auf 17m/s heruntergebracht. Wird hier die Information
trotzdem noch mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit übertragen?

Daten mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu übertragen, ist ein nicht ganz passender Begriff. Der Lichtstrahl geht dort nicht schneller als die Lichtgeschwindigkeit von dort 17 m/s. Aber die Informationsmenge oder -Rate/Zeiteinheit ist nicht beeinflusst.

MfG
Matthias

#4

Hallo

Die Brechzahl in Caesium ist kleiner 1, daher hat Licht dort
eine höhere Geschwindigkeit als im Vakuum.

Das kommt mir seltsam vor.
So weit ich weiß, ist Cäsium ein Metall und somit geht Licht
keine nennenswerte Strecke hindurch.
Licht geht durch keine Materie schneller hindurch als durch
das Vakuum.

Forscher haben die Lichtgeschwindigkeit in bestimmten Materien
schon auf 17m/s heruntergebracht. Wird hier die Information
trotzdem noch mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit übertragen?

Daten mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu übertragen, ist
ein nicht ganz passender Begriff. Der Lichtstrahl geht dort
nicht schneller als die Lichtgeschwindigkeit von dort 17 m/s.
Aber die Informationsmenge oder -Rate/Zeiteinheit ist nicht
beeinflusst

Caesium kann ja gasförmig sein. Dann lässt es vermutlich Licht durch.
Kannst du mir auch den Unterschied zwischen Information und Lichtstrahl anschaulich erklären?

#5

Was ist also
bei einer einzigen monochromatischen Elementarwelle die Phase
und was die Gruppe?

Bei einer monochromatischen Welle gibt es keine
Gruppengeschwindigkeit. Sowas tritt nur bei Wellenpaketen auf
und die setzen sich aus Wellen unterschiedlicher Frequenzen
zusammen.

Was passiert also mit der monochromatischen Welle, die durch Caesium geht?
Keine Änderung der Wellenlänge?
Widerspräche sich mit der Brechung von Laserlicht an Linsen.
Oder liegt cm doch über c0

#6

Hallo

Caesium kann ja gasförmig sein. Dann lässt es vermutlich Licht
durch.

Na schön, aber irgendwas scheinst Du am Cäsium gefressen zu haben.
Cäsium wird in Photomultipliern verwendet, weil sich aus Cäsium mit Licht Elektronen herausschlagen lassen. Geht auch mit Kalium usw…

Kannst du mir auch den Unterschied zwischen Information und
Lichtstrahl anschaulich erklären?

Die Frage versteh ich nicht. Jeder kennt doch einen Lichtstrahl oder eine Information?
Es gibt Prinzipien zur Verwendung von Lichtstahlen als Informationsträger. Ein bloßer Lichtstrahl sagt mir eigentlich nicht so viel.

MfG

#7

Hallo!

Wie schon gesagt, eine Brechzahl kleiner eins bedeutet klassisch, dass sich das Licht schneller als das Licht im Vakuum ausbreitet, das geht nicht. Zumindest nicht so, Stichwort hier wäre „Metamateriealien“.

Zur Informationsübertragung:

Information muss irgendwie kodiert sein. Wenn ich dich mit einer Taschenlampe anleuchte, weißt du genau dass du angeleuchtet wirst. Mehr kann ich dir damit nicht mitteilen, und diese Information erreicht dich mal sicher nur mit c0. Wenn ich dir jetzt mehr mitteilen möchte, kann ich anfangen, die Taschenlampe an und auszumachen, die Frequenzu zu modulieren oder die Intensität zB. All diese Änderungen im Lichtstrahl breiten sich auch nur mit Lichtgeschwindigkeit aus.

Soll zeigen: bei einer reinen unendlichen Sinuswelle mit konstanter Frequenz gibt es keine Gruppengeschwindigkeit, es kann keine Information übertrage werden.

Anmerkung zur langsamen Ausbreitung: dabei handelte es sich glaube ich um ein Bose-Einstein kondensat, also auch nicht was, was man auf der Straße findet…
lg

#8

Danke erstmal für die Antwort.

Information muss irgendwie kodiert sein. Wenn ich dich mit
einer Taschenlampe anleuchte, weißt du genau dass du
angeleuchtet wirst. Mehr kann ich dir damit nicht mitteilen,
und diese Information erreicht dich mal sicher nur mit c0.
Wenn ich dir jetzt mehr mitteilen möchte, kann ich anfangen,
die Taschenlampe an und auszumachen, die Frequenzu zu
modulieren oder die Intensität zB. All diese Änderungen im
Lichtstrahl breiten sich auch nur mit Lichtgeschwindigkeit
aus.

Bleiben wir mal bei dem einfachen Beispiel. Ich mach den Laserpointer an oder aus, also sende damit ein ja oder nein Signal. Lichtmorsen.
Es gibt hier keine Gruppengeschwindigkeit, wieso könnte also kein Signal übertragen werden?
Ich glaube schon, dass mit einer monochromatischen Welle Information übertragen werden kann.

Die Frage ist jetzt nur, warum diese Information nicht schneller bzw. langsamer als c0 sein darf/kann.

Was wäre im Caesium jetzt schneller als das Licht? Phasengeschwindigkeit? Irgendwas noch Abstrakteres?

Ich hab in nem anderen Forum gelesen, die Information wäre zwar schneller als das Licht, aber nicht mehr detektierbar und deshalb de facto keine Information. Für mich ist keine verständliche Antwort.

Grüße

#9

Es gibt Prinzipien zur Verwendung von Lichtstahlen als
Informationsträger. Ein bloßer Lichtstrahl sagt mir eigentlich
nicht so viel.

Lichtstrahl oder kein Lichtstrahl. Das ist schon Information.
Wenn der Lichtstrahl doppelt so schnell ankommt, könnte das nützlich sein, oder etwa nicht?

#10

Keine Änderung der Wellenlänge?

Warum nicht? Wenn sich die Lichtgeschwindigkeit ändert und die Frequenz gleich bleibt, dann bleibt der Wellenlänge doch gar nichts anderes übrig, als sich auch zu ändern.

#11

Bleiben wir mal bei dem einfachen Beispiel. Ich mach den
Laserpointer an oder aus, also sende damit ein ja oder nein
Signal. Lichtmorsen.
Es gibt hier keine Gruppengeschwindigkeit, wieso könnte also
kein Signal übertragen werden?

Warum soll es hier keine Grupengeschwindigkeit geben. Die Lichtsignale sind Wellenpakete und wenn man ihnen eine Geschwindigkeit zuordnet, dann ist das eine Gruppengeschwindigkeit.

Ich glaube schon, dass mit einer monochromatischen Welle
Information übertragen werden kann.

Der modulierte Lichtstrahl ist nicht monochromatisch. Mach’ eine Fourieranalyse, wenn Du es nicht glaubst.

Was wäre im Caesium jetzt schneller als das Licht?
Phasengeschwindigkeit? Irgendwas noch Abstrakteres?

Die Phasengeschwindigkeit und bei geeigneten Versuchsbedingungen auch die Gruppengeschwindigkeit. Information ist dagegen nie schneller als Licht im Vakuum unterwegs.

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#12

Warum soll es hier keine Grupengeschwindigkeit geben. Die
Lichtsignale sind Wellenpakete und wenn man ihnen eine
Geschwindigkeit zuordnet, dann ist das eine
Gruppengeschwindigkeit.

Du hast doch gesagt, dass es bei einer monochromatischen Welle keine Gruppengeschwindigkeit gibt, jetzt verwendest du es gegen mich, dass ich dich zitiere?

Der modulierte Lichtstrahl ist nicht monochromatisch. Mach’
eine Fourieranalyse, wenn Du es nicht glaubst.

So spitzfindig wollen wir jetzt nicht sein. Dass das Universum nicht aus gasförmigen Caesium besteht weiß ich auch. Es geht hier doch um die Theorie. Also gehe ich davon aus, dass ein einziges Photon aus dem Laser fliegt. Das hat also auch nach einer Fourieranalyse nur eine bestimmte Wellenlänge.

(1) Was macht das Photon im Caesium?
(2) Was ist das, was schneller als das Licht ist, und was ist das was am Ende zuerst ankommt? Ist es Energie, ist nur eine mathematische Größe, die auf keinen Fall messbar ist?
(3) Könntet ihr beschreiben, was an einer Lichtwelle einer einzigen Frequenz die Phasengeschwindigkeit und was die Signalgeschwindigkeit, die nicht überschritten werden kann, ist?

#13

Keine Änderung der Wellenlänge?

Warum nicht? Wenn sich die Lichtgeschwindigkeit ändert und die
Frequenz gleich bleibt, dann bleibt der Wellenlänge doch gar
nichts anderes übrig, als sich auch zu ändern.

wie geht das - Frequenz bleibt gleich und „Wellenlänge“ ändert sich ?

#14

Hallo!

Der modulierte Lichtstrahl ist nicht monochromatisch. Mach’
eine Fourieranalyse, wenn Du es nicht glaubst.

So spitzfindig wollen wir jetzt nicht sein.

Müssen wir aber, denn das ist der Unterschied. Eine Welle kann streng genommen immer nur monochromatisch sein wenn der Sinuszug unendlich lang ist. Ein modulierter Sinuszug ist eben nicht mehr streng monochromatisch, damit gibt es eine Gruppengeschwindigkeit und Informationsübertragung.

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#15

Hallo,

wie geht das - Frequenz bleibt gleich und „Wellenlänge“ ändert
sich ?

Geschwindigkeit = Wellenlänge mal Frequenz.
Geschwindigkeit ändert sich, Frequenz bleibt gleich, daraus folgt???

Dass die Frequenz gleich bleiben muss, ist doch klar - darin steckt schließlich die Energie des Lichts (h*f) - und die ändert sich ja nicht beim Wechsel in ein anderes Medium. Und dass sich die Geschwindigkeit je nach Medium ändert ist doch wohl bekannt, oder?

Gruß
KB

#16

So spitzfindig wollen wir jetzt nicht sein.

Den Zahn hat Dir ja schon Alexander gezogen.

Also gehe ich davon aus, dass ein
einziges Photon aus dem Laser fliegt. Das hat also auch nach
einer Fourieranalyse nur eine bestimmte Wellenlänge.

Nur in der Theorie. Da kann man ein Photon als monochromatisch betrachten. Aus der Unschärferelation folgt dann aber, dass es sich dabei um eine unendliche Welle handelt. Der Ort eines solchen Photons wäre nicht definiert und es kann auch keine Informationen übertragen. Dass man Photonen in der Praxis lokalisieren kann, liegt daran, dass sie nicht monochromatisch sind. Ihre Frequenz unterliegt einer gewissen Unschärfe. Das Ergebnis ist ein Wellenpaket das unter geeigneten Umständen auch Informationen übertragen kann.

(1) Was macht das Photon im Caesium?

Das hängt von den Versuchsbedingungen ab.

(2) Was ist das, was schneller als das Licht ist, und was ist
das was am Ende zuerst ankommt?

Auch das hängt von den Versuchsbedingungen ab.

(3) Könntet ihr beschreiben, was an einer Lichtwelle einer
einzigen Frequenz die Phasengeschwindigkeit und was die
Signalgeschwindigkeit, die nicht überschritten werden kann,
ist?

Auch auf die Gefahr hin, mich zu wiederholen: Eine monochtromatische Welle hat nur eine Phasengeschwindigkeit und kann keine Signale übertragen.

#17

Hallo,

wie geht das - Frequenz bleibt gleich und „Wellenlänge“ ändert
sich ?

Geschwindigkeit = Wellenlänge mal Frequenz.

Ja.

Geschwindigkeit ändert sich, Frequenz bleibt gleich, daraus
folgt???

Dass die Frequenz gleich bleiben muss, ist doch klar - darin
steckt schließlich die Energie des Lichts (h*f) - und die
ändert sich ja nicht beim Wechsel in ein anderes Medium.

Wirklich ?Wie wirkt die Energie in diesem anderen Medium?
Wie stellt sich die „Welle“ in diesem Medium dar ?
Man sollte eigentlich nicht von der Lichtgeschwindigkeit im Medium,
zBsp. Glas reden, sondern von der Ausbreitungsgeschwindigkeit.
Dies wird auch (teils) so gehandhabt.
Der Brechungsindex n ist bekanntlich (fast)proportional der
Lichtgeschwindigkeit c0 im Vakuum und der Ausbreitungs-
geschwindigkeit cM im Medium - ist ja bekannt - n=c0/cM
Wenn der Weg des Lichtes im Medium durch Umlenkungen um den
Faktor n vergrößert werden sollte ,dann wird eben die Wellengeometrie
bezüglich der „Länge“ auch nicht verändert.
Jedenfalls hat sich diesbezüglich ja nicht viel verändert, wenn das
„Photonen-Paket“ das Medium verläßt.
Weiß man genau, daß der Weg der Photonen im Medium nicht verlängert
wird gegenüber der Distanz zwischen den Grenzflächen z.Bsp. eines
Glaskörpers welcher passiert wird ?
Würde mich interessieren.Auch ob man Wellenlängen im Medium
tatsächlich gemessen hat (nicht nur berechnet !!).
Sind die dort tatsächlich kürzer als im Vakuum um den Faktor 1/n
hätte sich meine Überlegung erledigt.
Gruß VIKTOR

#18

Also die monochromatische Welle hat eine Phasengeschwindigkeit. Diese kann auch die Vakuumlichtgeschwindigkeit überschreiten.
Wie kann ich mir das als nicht Physiker, ohne Begrüundung durch Formeln vorstellen. Wie kann die Phase schneller sein, als die Ausbreitung des E-Felds bzw. B-Felds?

Wird Energie übertragen?

Es geht mir nicht darum die Relativitätstheorie widerlegen zu wollen, ich will den Sachverhalt der Überlichtgeschwindigkeit einfach nur verstehen. Wenn ihr schreibt „das hängt von den Bedingungen ab/Unschärfe/Raumkrümmung/etc“, dann hilft mir das nicht weiter.

danke :smile:

#19

Würdest du das Laien auch so im Vorabendprogramm erklären? Ich hatte ein bisschen Laserlicht mal in der 13. Klasse und jetzt wieder im Studium. Aber unendlich lange Sinuszüge hören sich ein wenig abstrakt an. Ich wollte nicht extra ein Physikstudium anfangen um es dann irgendwann zu verstehen.

#20

Hallo,

Wirklich ?Wie wirkt die Energie in diesem anderen Medium?

sie ändert sich nicht. Oder wie willst Du erklären, dass die Welle beim Austritt aus dem Medium die gleiche Energie hat wie beim Eintritt, wenn sie sich unterwegs geändert hätte? Wo sollte die Energie herkommen bzw. wohin verschwinden? Der Energieerhaltungssatz sollte doch wohl auch hier gelten, oder?
Gruß
KB