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Gebremstes Licht – aber wie?

Von / 22. September 2019 / 7 Kommentare
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ScienceBlogs.de-Leser Matthias hat eine Frage zur Lichtgeschwindigkeit in dichten Medien:

Was mich gerade interessiert, ist die Frage, warum die Lichtgeschwindigkeit im optisch dichten Medium langsamer läuft. Sind hier quantenmechanische Prozesse am Werk? Wohl schon aber welche? Ist das Licht im Diamanten durch zeitfressende Wechselwirkungen bedingt – dann wäre unklar wieso diese Prozesse nicht zu einer maximalen Streuung führen. Oder ist die lokale Nähe zur Masse -z.B. der Atomkern – für die relativistisch bedingte Verlangsamung der Zeit an sich verantwortlich. Dann wäre nicht klar, warum unterschiedliche Frequenzen unterschiedlich stark beeinflusst werden.

Vielen Dank
Matthias

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Kommentare (7)

  1. #1 tomtoo
    22. September 2019

    Ich denke das Video beantwortet die Frage ganz gut. Eben weil es auch auf Misskonzeptionen eingeht.

    https://m.youtube.com/watch?v=CUjt36SD3h8

  2. #2 MartinB
    22. September 2019

    Eine einfache Modellvorstellung ist die: Jedes Atom hat Elektronen, die mit der einfallenden elektromagnetischen Welle mitschwingen und dabei ihrerseits eine em-Welle aussenden. Wie bei solchen (erzwungenen) Schwingungen üblich, hinken die Elektronen der einfallenden Welle etwas hinterher, damit auch die von ihnen ausgesandte Welle. Die Wellen interferieren jetzt miteinander und das führt zu einer Verschiebung der Wellenberge und -täler. Und wenn man das bei jeder Atomlage wiederholt, dann ergibt sich insgesamt eine langsamer laufende Welle.
    Tatsächlich ist es aber so, dass es den sogenannten “Sommerfeldschen vorläufer” gibt – ein winziger teil der Lichtwelle läuft mit Vakuumlichtgeschwindigkeit durchs Medium, der ist aber so klein, dass er nicht von praktischer Relevanz ist.

  3. #3 Frank Wappler
    23. September 2019

    Jürgen Schönstein schrieb (22. September 2019):
    > […] warum die Lichtgeschwindigkeit im optisch dichten Medium langsamer läuft.

    Warum Lichtgeschwindigkeit für Signale von bestimmter Frequenz nicht größer sein kann, als Signal-Front-Geschwindigkeit (bzw. die Geschwindigkeit eines “Sommerfeldschen Vorläufers”) ? —

    Weil die Wahrnehmung (eines bestimmten Senders und Empfängers), dass ein bestimmtes Signal von einem bestimmten Reflektor wahrgenommen worden war, von dem sich außerdem ermitteln ließe, dass es einem bestimmten Frequenzband gesendet bzw. empfangen wurde, zwangsläufig mit der Wahrnehmung dieses Senders/Empfängers einhergeht, dass dieses Signal vom Reflektor überhaupt wahrgenommen worden war.

    Die Dauer des Senders/Empfängers von seiner Signal-Anzeige bis zu seiner Anzeige der allerersten Wahrnehmung irgendeines entsprechenden Echos des Reflektors (d.h. die Ping-Dauer des Senders/Empfängers bzgl. des Reflektors) ist folglich höchstens so groß, bzw. im Allgemeinen geringer, als die Dauer des Senders/Empfängers von seiner Signal-Anzeige bis zu seiner Anzeige der allerersten Wahrnehmung eines entsprechenden Echos des Reflektors in einem bestimmten Frequenzband.

    Falls Sender/Empfänger und Reflektor außerdem durchwegs gegenüber einander ruhten, den beiden also eine bestimmte konstante und gegenseitig gleiche Distanz voneinander zugeschrieben werden kann,
    dann ergibt sich für das jeweilige Verhältnis von Distanz zu Dauer, also für die jeweilige (Durchschnitts-)Geschwindigkeit,
    dass die Signal-Front-Geschwindigkeit (zwischen Sender/Empfänger und Reflektor) mindestens so groß, bzw. im Allgemeinen größer ist, als die Lichtgeschwindigkeit zwischen diesen beiden für irgendein bestimmtes Frequenzband.

    Aus den detaillierten Verhältnissen zwischen den genannten Dauern bzw. ggf. zwischen den genannten Geschwindigkeiten, einschl. ihrer Abhängigkeit von den Einschränkungen auf jeweils ein bestimmtes Frequenzband, lässt sich auf die in der Fragestellung erwähnte optische Dichte, einschl. deren Frequenz-Abhängigkeit, der Region schließen, in der sich Sender/Empfänger und Reflektor befanden.

  4. #4 Tobi
    25. September 2019

    Photonen können wie andere Teile auch kollidieren, dadurch fliegen sie nicht auf dem kürzesten Weg und brauchen länger, als wenn sie direkt fliegen würden.

    Sehr anschaulich ist es, wenn man den Weg des Photons von der Sonnenmitte bis zur Sonnenoberfläche “beobachtet”. Obwohl die Photonen mit Lichtgeschwindigkeit fliegen, benötigen sie ca. 100.000 Jahre.

    Übrigens können Photonen auch mit Photonen kollidieren.

    siehe:

    Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC

    https://arxiv.org/abs/1702.01625

  5. #5 Uli Schoppe
    25. September 2019

    @Tobi
    Wenn es wirklich an Absorption und Emission liegt, warum wird das Licht nicht maximal gestreut?

  6. #6 demolog
    25. September 2019

    Wenn ich mir ein Video ansehe, wo man den Beweis für Einsteins Relativitätstheorie sehen soll (Sonnenfinsternis etwa), dann sehe ich dort einen Vorgang, der auch nach “Reflektion” aussieht. Die “beugung” der Lichtstrahlen kann ebenso auch eine durch Reflkektionen erzeugte Streuung von Licht sein, die dann eine Beugung von Licht deuten liesse.

    Ist nun aber Lichtsstreuung mit dem physikalsichen Prozess verbunden, den MartinB. in #2 erklärt?

    Ist Reflektion Resultat der Anregung von Elektronen auf den Atomschalen, die wiederum Wellen aussenden?
    Oder ist Reflektion (und daraus resultierender Streuung) tatsächlich eine “Umleitung” von Lichtstrahlen.

  7. #7 Tobi
    29. September 2019

    @Uli Schoppe
    “Wenn es wirklich an Absorption und Emission liegt, warum wird das Licht nicht maximal gestreut?”

    Genau aus dem Grund, wieso das Licht beim Mehrfachspalt nicht in alle Richtungen gestreut wird.
    Wegen der destruktive Interferenz.