Wie viele Photonen werden von einer Taschenlampe ausgesandt, wie weit können sie fliegen und werden sie durch die Schwerkraft der Erde abgelenkt?

Dieser Artikel basiert auf der Beantwortung ähnlicher Fragen von Internetnutzern, siehe Screenshot:

Einfache Antwort: Das Licht wird auf eine Weise abgestrahlt, die unendlich nahe an einer geraden Linie liegt.

Das Licht wird durch die Schwerkraft abgelenkt, die Quelle der Schwerkraft muss jedoch sehr groß sein. Die Schwerkraft der Erde ist zu gering, um für Licht, das sich mit etwa 300.000 Kilometern pro Sekunde bewegt, grundsätzlich vernachlässigbar zu sein.

Dies liegt daran, dass die Schwerkraft der Erde für Licht zu gering ist.

Die universelle Gravitation wirkt mit elektromagnetischer Kraft auf alle Materie. Licht fällt in den Bereich der elektromagnetischen Kraft und Photonen sind das Medium der elektromagnetischen Strahlung, sodass sie natürlich auch von der Schwerkraft beeinflusst werden. Obwohl Photonen keine Ruhemasse haben, haben sie eine dynamische Masse. Die Schwerkraft ist ein Phänomen, das durch die Verzerrung der Raumzeit durch Masse entsteht. Daher ist es natürlich, dass Licht von der Schwerkraft beeinflusst wird.

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie geht davon aus, dass jedes Objekt mit Masse die umgebende Raumzeit verzerrt. Eine kleine Masse führt zu einer kleinen Verzerrung, während eine große Masse zu einer großen Verzerrung führt. Durch die Bewegung von Objekten entsteht die Krümmung der Raumzeit auf verschiedene Weise, im Allgemeinen ist sie jedoch so, als würde sich um sie herum ein Wirbel oder eine Falle bilden. Jedes Objekt, das durch diesen Wirbel oder diese Falle geht, wird beeinflusst.

Je größer der Himmelskörper, desto stärker die Krümmung, die er bildet, desto tiefer und intensiver ist der Wirbel oder die Falle. Näherkommende kleine Himmelskörper neigen dazu, in diese Falle oder diesen Wirbel zu geraten. Wenn ihre Geschwindigkeit nicht ausreicht, stürzen sie in den Abgrund, wo sie von der Schwerkraft angezogen werden und schließlich auf den großen Himmelskörper fallen.

Die oben erwähnte Geschwindigkeit bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dem Gravitationswirbel oder der Gravitationsfalle zu entkommen, umso größer ist, je schneller das Objekt ist. Die Geschwindigkeit, mit der ein Himmelskörper der Gravitationsfalle entkommt, wird Fluchtgeschwindigkeit genannt. Die Formel zur Berechnung der Fluchtgeschwindigkeit lautet: v=√(2GM/R), wobei v die Fluchtgeschwindigkeit, G die Gravitationskonstante, M die Masse des Himmelskörpers und R die Entfernung zwischen dem entkommenden Objekt und dem Schwerpunkt des Himmelskörpers ist.

Die Masse der Erde beträgt etwa 6*10^24kg und ihr Radius beträgt etwa 6371km. Anhand der Formel können wir berechnen, dass die Fluchtgeschwindigkeit von der Erdoberfläche etwa 11,2 km/s beträgt. Das heißt, auf der Erdoberfläche können Sie der Schwerkraft der Erde entkommen, solange Sie eine Geschwindigkeit von 11,2 Kilometern pro Sekunde erreichen. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 300.000 Kilometer pro Sekunde, also etwa das 27.000-fache von 11,2 Kilometern. Die Schwerkraft der Erde ist für Licht nahezu vernachlässigbar.

Die Masse der Sonne beträgt das 330.000-Fache der Masse der Erde und ihre Fluchtgeschwindigkeit von der Oberfläche beträgt 617 km/s, was auf Licht, das sich mit 300.000 Kilometern pro Sekunde bewegt, kaum Auswirkungen hat. Andernfalls würde das Sonnenlicht einfach ewig um die Sonne kreisen. Wie könnte es dann die Erde erreichen? Allerdings ist die Schwerkraft der Sonne viel stärker als die der Erde. Aus diesem Grund beobachteten viele Wissenschaftler das Sternenlicht, das während einer totalen Sonnenfinsternis in der Nähe der Sonne vorbeizog, und stellten fest, dass die Ablenkung etwa 1,66 Zoll betrug, was im Wesentlichen mit der Berechnung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmt.

Daher ist das Licht der Taschenlampe, das zum Himmel gerichtet ist, nahezu perfekt gerade. In der Quantenmechanik besteht sichtbares Licht aus Photonen, die die duale Natur von Welle und Teilchen besitzen. Es gibt keine eindeutige Aussage über die Lebensdauer eines Photons, aber die meisten Menschen glauben, dass das von dieser Taschenlampe ausgestrahlte Licht theoretisch für immer im Universum schweben würde, wenn seine Lebensdauer unendlich wäre.

Ist das wirklich der Fall? Nein. Tatsächlich löste sich der Lichtstrahl nach seiner Aussendung innerhalb weniger Sekunden vollständig auf und verschwand. Es gibt im Wesentlichen drei Gründe, warum sich dieser Lichtstrahl auflöst: 1. Photonen kollidieren mit anderen Teilchen, interagieren miteinander und ändern ihre Flugbahn. 2. Das Licht einer Taschenlampe wird gestreut und die Photonen werden verdünnt und zerstreut. 3. Mit zunehmender Entfernung und der Ausdehnung des Universums werden Lichtwellen allmählich gestreckt und werden zu unsichtbaren elektromagnetischen Wellen.

Lassen Sie uns diese drei Gründe diskutieren:

Wenn Photonen auf andere Teilchen treffen, werden sie gestreut, gebeugt, absorbiert und umgewandelt.

Theoretisch fliegt das Licht nach der Lichtabgabe wie eine Kanonenkugel weiter, auch wenn Sie die Taschenlampe ausschalten, sofern kein Hindernis vorhanden ist. Da die Geschwindigkeit der Kanonenkugel sehr gering ist, wird sie durch die Schwerkraft auf der Erde angezogen und durch den Luftwiderstand blockiert. Daher ist seine Flugbahn eine Parabel und er fällt herunter, bevor er weit fliegt.

Da die Geschwindigkeit der Photonen jedoch 300.000 Kilometer pro Sekunde beträgt und die Schwerkraft der Erde nahezu vernachlässigbar ist, fliegen sie weiter, sofern sie nicht auf ein Hindernis stoßen. Tatsächlich gibt es auf dem Weg nach der Aussendung des Lichts viele Hindernisse. In der Atmosphäre sind atmosphärische Moleküle und Staub die Haupthindernisse.

Wenn Photonen auf verschiedene Materialpartikel treffen, kommt es zu Reflexion, Beugung, Streuung oder Absorption und der Lichtstrahl wird immer schwächer.

Das von einer Taschenlampe in den Himmel ausgestrahlte Licht muss zunächst die dichte Atmosphäre durchdringen. Die Dichte der Oberflächenatmosphäre beträgt 1,293 kg/m^3 und jeder Kubikzentimeter enthält etwa 2,6875*10^19 atmosphärische Moleküle, also etwa 1,7 Billionen. Wenn Photonen in einer so dichten Atmosphäre reisen, werden sie natürlich schnell absorbiert und zerstreut.

Bei Reflexion, Brechung oder Beugung ändert das Licht seine Richtung und folgt natürlich nicht seinem ursprünglichen Weg, sodass das Licht geschwächt wird. Wenn ein Photon auf ein atmosphärisches Molekül oder ein Elektron eines Atoms trifft, wird die Energie vom Elektron absorbiert. Das Elektron befindet sich mit der zusätzlichen Energie in einem angeregten Zustand und wechselt auf ein höheres Energieniveau. Wenn keine Energie mehr vorhanden ist, um es wieder aufzufüllen, kehrt es zu seinem ursprünglichen Energieniveau zurück und gibt gleichzeitig ein Photon frei.

Dieses Photon ist jedoch nicht mehr das ursprüngliche Photon und die Emissionsrichtung stimmt nicht mehr mit der vorherigen Route überein. Daher können wir davon ausgehen, dass sich das vorherige Photon aufgelöst hat.

Selbst wenn wir den Weltraum erreichen, ist dieser kein absolutes Vakuum. Dort sind noch seltene Teilchen vorhanden, mit denen Photonen interagieren und sich umwandeln. Dies führt dazu, dass dieser Lichtstrahl irgendwann verschwindet.

Durch die Streuung des Blitzlichtflecks kommt es zudem zu einer Verdünnung der Photonen.

Obwohl die Taschenlampe über eine Fokussiervorrichtung verfügt, ist ihre Fokussierfähigkeit schwach. Das emittierte Licht streut ständig und ist proportional zur Entfernung. Verschiedene Taschenlampen haben unterschiedliche Lichtstärken und unterschiedliche Fokussierungsfähigkeiten. Nehmen wir als Berechnungsbeispiel eine Taschenlampe mit 10 Watt Lichtleistung und 10° Fokussierwinkel.

Eine 10-Watt-Glühbirne erzeugt 10 J/s (Joule pro Sekunde). Photonenenergie E=hc/λ, was gleich der Planck-Konstante multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit geteilt durch die Wellenlänge ist.

Sichtbares Licht ist ein sehr schmales Band im elektromagnetischen Spektrum mit einer Wellenlänge zwischen etwa 380 nm (Nanometer) und 760 nm. Wir gehen von einem Durchschnittswert von 570 nm aus. Gemäß der Photonenenergieformel beträgt die Energie jedes Photons mit einer Wellenlänge von 570 nm ungefähr 3,5*10^-19J. Auf diese Weise beträgt die Gesamtzahl der Photonen in diesem von der Taschenlampe emittierten Lichtstrahl mit einer Energie von 10 J/Sekunde etwa 2,86*10^19, also 28,6 Billionen Photonen.

Wenn das von einer Taschenlampe ausgestrahlte Licht weiterhin in einem Winkel von 10 Grad gestreut wird, dehnt sich der Lichtfleck weiter aus und die Photonen werden verdünnt. Bei einer Lichtaussendung in einer Entfernung von 30 Metern beträgt der Radius des Lichtflecks etwa 2,5 Meter; bei einer Entfernung von 3 Kilometern beträgt der Radius des Lichtflecks 250 Meter; bei einer Entfernung von 300 Kilometern beträgt der Radius des Lichtflecks 25 Kilometer; und wenn es in einer Entfernung von 3000 Kilometern ausgestrahlt wird, beträgt der Durchmesser des Lichtflecks 250 Kilometer.

Selbst wenn nicht alle Photonen zerfallen sind, wie viele Photonen gibt es zu diesem Zeitpunkt pro Quadratmeter? Wir haben die Berechnungen mit der Kreisflächenformel durchgeführt und festgestellt, dass bei einer Entfernung von 3.000 Kilometern zur Taschenlampe die Fläche des Lichtflecks etwa 19.634.9540.849 Quadratmeter beträgt und die Anzahl der Photonen pro Quadratmeter etwa 146 Millionen beträgt. Erfasst das menschliche Auge einen Lichtfleck von 1 cm², so gelangen pro Sekunde immer noch 145 Photonen auf die Netzhaut. Obwohl sie sehr schwach sind, sind sie dennoch sichtbar.

Auf der Erde ist es für eine Taschenlampe jedoch unmöglich, eine so weite Strecke zurückzulegen. Die dichte Luft hätte das Licht schon vor langer Zeit gedämpft. Selbst wenn einzelne Photonen übrig blieben, wäre es für das menschliche Auge schwierig, sie wahrzunehmen.

Aber selbst im Weltraum kann sich dieser Lichtstrahl nicht 1 Sekunde lang ausbreiten, da die Lichtgeschwindigkeit 300.000 Kilometer pro Sekunde beträgt. Bei 300.000 Kilometern erreicht der Streuradius dieses Lichtstrahls 25.000 Kilometer und die Fläche des Lichtflecks beträgt 196.349.540.849.3621 Quadratmeter. Die Anzahl der Photonen pro Quadratmeter beträgt nur 14.566 und die Anzahl der Photonen in 1 Quadratzentimeter beträgt weniger als 0,015 Photonen.

Tatsächlich können bei einer Ausbreitung des Taschenlampenlichts von 0,1 Sekunden und einer Distanz von 30.000 Kilometern weniger als 1,5 Photonen pro Sekunde in das menschliche Auge eindringen. Für die Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges sind grundsätzlich 6 Photonen erforderlich. Selbst bei besonders gutem Sehvermögen werden 3 Photonen benötigt. 1,5 Photonen sind nicht mehr sichtbar.

Die Natur gewöhnlicher Lichtquellen besteht darin, in alle Richtungen zu strahlen. Um das Licht in eine Richtung strahlen zu können, wird an der Lichtquelle eine Fokussiervorrichtung angebracht. Taschenlampenlichtquellen sind im Allgemeinen gewöhnliche Lichtquellen und können daher nicht weiter übertragen werden. Ein Laser ist eine Lichtquelle, die sich auf natürliche Weise in eine Richtung ausbreitet und eine sehr geringe Divergenz von nur etwa 0,001 Radiant aufweist, sodass sie größere Entfernungen zurücklegen kann.

Bei der Mondlandung im letzten Jahrhundert platzierten Astronauten mehrere Laserreflektoren auf dem Mond. Wissenschaftler auf der Erde sendeten Laserstrahlen zu diesen Reflektoren und empfingen dann die reflektierten Laserstrahlen. Anhand der für Aussendung und Rückkehr benötigten Zeit konnten sie die Oberflächenentfernung zwischen Erde und Mond genau messen.

Natürlich müssen sowohl die Sende- als auch die Empfangsgeräte Teleskope verwenden, was allein mit dem menschlichen Auge nicht möglich ist. Theoretisch gilt: Je größer die Fläche des Hauptspiegels des Teleskops ist, desto mehr Photonen können fokussiert werden und desto weiter kann man sehen. Ich werde hier nicht ins Detail gehen.

Die Geschwindigkeit des sich entfernenden Lichts und die Ausdehnung des Universums führen dazu, dass sich Lichtwellen zu unsichtbarem Licht ausdehnen.

Wir wissen, dass sich das Universum ausdehnt, und zwar umso schneller, je größer die Entfernung ist. Wenn sich die Lichtgeschwindigkeit von uns entfernt und das Universum sich ausdehnt, erfährt die Wellenlänge einen Dopplereffekt. Der sogenannte Dopplereffekt des Lichts führt dazu, dass sich Frequenz und Wellenlänge einer Lichtquelle verdichten, wenn sie sich auf uns zubewegt, und dass sich Frequenz und Wellenlänge verkürzen, wenn sie sich von uns wegbewegt.

Sichtbares Licht ist zusammengesetztes Licht, also Licht, das aus mehreren Farben besteht und durch ein Prisma gestreut werden kann. Die Wellenlängen werden grob in Rot, Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und Violett von lang nach kurz unterteilt. Wird die Wellenlänge verlängert, bewegt sie sich zum roten Ende, wird die Wellenlänge verkürzt, bewegt sie sich zum blauen Ende.

Auf diese Weise entsteht durch das sich von uns wegbewegende Licht eine Rotverschiebung, und mit der Ausdehnung des Universums wird der Betrag dieser Rotverschiebung immer größer, bis sie schließlich den für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich von 760 nm verlässt und zu Infrarot- bzw. Radiowellen wird. Elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen oberhalb des Infrarotbereichs sind für das menschliche Auge unsichtbar.

Aus diesem Grund werden Teleskope hergestellt, die nicht nur über optische Strukturen verfügen, sondern auch Teleskope in verschiedenen elektromagnetischen Wellenbändern wie Radio-, Infrarot-, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen. Auf diese Weise können sie weit entfernte und schwache Himmelskörper beobachten und die mangelnde Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges ausgleichen.

Daher verschwindet das von einer Taschenlampe ausgestrahlte Licht schnell im Universum. Obwohl einige Photonen theoretisch für immer existieren könnten, ist es für den Menschen schwierig, sie einzufangen. Selbst wenn ein Photon über große Entfernungen eingefangen wird, lässt sich nur schwer feststellen, woher es kam und welches Objekt es ausgesendet hat.

Ist ein Stern oder eine Galaxie jedoch sehr groß, ist die Menge der von ihm emittierten Photonen so groß und enthält sehr energiereiche Röntgen- und Gammastrahlen, dass er oder sie von Menschen gesehen werden kann, selbst wenn er oder sie mehr als 10 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist. Allerdings ist die Beobachtung mit bloßem Auge allein nicht möglich, sondern erfordert den Einsatz verschiedener großer und präziser Teleskope sowie den Einsatz von Gravitationslinsen im Universum.

Die Photonen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung wurden 380.000 Jahre nach dem Urknall emittiert. Es gibt sie seit 13,8 Milliarden Jahren. Obwohl sie sehr schwach sind, wurden sie von Wissenschaftlern eingefangen, was zeigt, dass die Lebensdauer von Photonen extrem lang ist.

Das ist fürs Erste alles. Gerne können Sie mitdiskutieren. Danke fürs Lesen.

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