Warum ist Licht im Glas langsamer als im Vakuum, obwohl doch die Lichtgeschwindigkeit konstant ist?

Kommentare (13)

1. #1 Slammer

   Juli 30, 2009

   Letzten Herbst durfte ich in der Mensa einer altehrwürdigen und Florian definitiv nicht unbekannten 😉 Uni folgendes Gespräch zwischen Studenten mithören: “Habt ihr schon gehört? Denen im Physikum ist eine wissenschaftliche Sensation gelungen! Sie haben es geschafft, Licht auf Schrittgeschwindigkeit abzubremsen!” – “???” – “War angeblich nicht mal so aufwändig: sie haben einfach einen Laserstrahl quer durch die Uni-Verwaltung geschickt…”
   Und dann soll man noch teilnahmslos sitzen bleiben und keine Miene verziehen…

2. #2 Harald_derKahle

   Juli 30, 2009

   Nun ja, die sogenannte Brechzahl (n) drückt das Verhältnis der Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum zu der im Medium aus. In Glas mit der Brechzahl 1.5 ist das Licht um den Teiler 1,5 langsamer als im Vakuum. Je höher die Brechzahl (Diamant 2,4 Titandioxid 3,1), umso langsamer das Licht, bis es dann irgendwann mal einschläft oder so …

3. #3 MPhil

   Juli 30, 2009

   Hmm… wenn ich mich richtig entsinne, kann man das doch sogar so auffassen, dass sich die Geschwindigkeit der Photonen selbst gar nicht ändert: Zwischen Wechselwirkungen mit Molekülen bewegen sich die Photonen mit c – der einzigen Geschwindigkeit mit der sie sich bewegen können. Wechselwirkungen bremsen die Photonen nicht, sondern bestehen (einfach) darin, dass die Photonen absorbiert werden, wodurch sie die Atome zu einem Quantensprung anregen – bei der Rückkehr in ihren energetischen Normalzustand senden die Atome dann wieder Photonen aus, und es ist dieser Prozess der Zeit braucht, nicht die Streckenbewältigung von Photonen, welche sich eben immer mit c (vakuum) vollzieht. Die verschiedenen “Geschwindigkeiten” des Lichts in verschiedenen Materialien ergibt sich demnach daraus, wieviele Interaktionen durchgemacht werden müssen, und wie lange diese jeweils brauchen.

   Macht jedenfalls so wesentlich mehr Sinn, bezüglich unserer Definitionen von Photonen, dem Zusammenhang zwischen dem Vergehen von Zeit und der Durchquerung von Raum von Photonen (für Photonen vergeht eben keine Zeit, sie bewegen sich nur im Raum) etc.

4. #4 Fabio Valeri

   Juli 30, 2009

   Wenn das Photon absorbiert wird, warum wird es dann wieder gerichtet emitiert und nicht gestreut?

5. #5 Florian Freistetter

   Juli 30, 2009

   @MPhil: “Zwischen Wechselwirkungen mit Molekülen bewegen sich die Photonen mit c – der einzigen Geschwindigkeit mit der sie sich bewegen können.”

   Ja, das ist richtig. Aber die Antworten der Forschungsfragen sollen relativ kurz sein, da konnte ich nicht so ausführlich werden.

   @Fabio: Es wird ja auch gestreut. Manchmal mehr, manchmal weniger – hängt vom Material ab.

6. #6 sven

   Juli 30, 2009

   Also, so viel länger war der Beitrag von MPhil nun auch nicht; aber um einiges einleuchtender: denn ein richtiger Erklärungsansatz und nicht “nur” eine Beschreibung des Phänomens. So eine Erklärung wünschte ich mir auch für das Streuverhalten von Photonen in Materie 😉 – bitte!

7. #7 TSK

   Juli 31, 2009

   Licht selbst bewegt sich immer mit der Lichtgeschwindigkeit oder gar nicht (Absorbtion).
   Nun reagieren Materialien aber mit dem Licht. Wir sehen uns im Spiegel, Dinge sind
   undurchsichtig oder farbig, d.h. das darauffallende Licht wird verändert. Atome als Baustein der Materie besteht im wesentlichen aus Elektronen und Protonen, wo die Elektronen frei beweglich um das Proton schwirren. (Es sei klargemacht, dass
   es sich um ein grob verfälschtes Bild handelt, wenn man sich eine Art Sonnensystem
   vorstellt. Es reicht für eine Veranschaulichung, ist aber sonst sehr irreführend).

   Licht wird erzeugt und beeinflußt, weil Elektronen nicht an den Kern festgenagelt sind, sondern durch elektromagnetische Felder bewegt werden können und Bewegung von Elektronen elektromagnetische Felder erzeugt. Stellen wir uns eine
   Anzahl von Photonen vor, die perfekt ausgerichtet und alle gleichschnell auf Materie
   treffen. Da wir es nun mit einer riesigen Anzahl von unkoordinierten Elektronen zu tun haben, die das Feld gegenseitig beeinflussen, entsteht aus einem relativ scharf begrenzten Wellenpuls ein auseinandergezogenes Wellenpaket: Reflektion, Absorbtion,
   Überlagerung.
   Wir können jetzt nur statistische Aussagen treffen: Wie schnell bewegt sich das Intensitätsmaximum (Phasengeschwindigkeit) im Mittel und wie schnell bewegt sich der
   Schwerpunkt (Gruppengeschwindigkeit) ? Die *Beeinflussung* des Materials selbst
   jedoch bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit.
   Wenn man von “der” Geschwindigkeit des Lichtes spricht, meint man eigentlich
   Phasengeschwindigkeit, was aber mehrere Tücken beinhaltet. Man könnte sich
   z.B. fragen, ob man die Elektronen so anordnen könnte, dass die nachfolgenden
   Wellenpakete geschwächt werden, so dass die Intensität weiter nach vorne
   wandert ? Die Antwort ist ja: Glas im UV- und Röntgenbereich hat eine Phasengeschwindigkeit *größer* als Lichtgeschwindigkeit, d.h. die Brechzahl ist kleiner als 1. Wenn man spezielle Materialien mittels Nanotechnologie kunstvoll anordnet (Metamaterialien), gibt es sogar negative Brechzahlen, d.h. das Licht scheint rückwärts zu laufen.

8. #8 Mark

   Juli 31, 2009

   Könnte man nicht eine Art Licht-Akku bauen mittels dieser Wunderstoffe mit diesen gigantischen Brechzahlen ? Oder wird bei der Wechselwirkung mit den Elektronen irgendwann (bei hoher Photonenladungsdichte) Wärmestrahlung frei ?

9. #9 Robert

   Juli 31, 2009

   Was ist eigentlich bei einer negativen Brechzahl?

10. #10 Astronove

    Juli 31, 2009

    Die Darstellung einer Privattheorie an dieser Stelle wurde entfernt.

11. #11 TSK

    August 1, 2009

    >Könnte man nicht eine Art Licht-Akku bauen mittels dieser Wunderstoffe mit diesen
    > gigantischen Brechzahlen ?

    Das wird tatsächlich bereits gemacht. Um das mal hier zu deanonymisieren, die Wissenschaftlerin heißt Lene Hau und ist Professorin mit Anstellung auf Lebenszeit
    an der Harvard University in Cambridge,Massachusetts, USA.

    Der “Wunderstoff” ist ein Bose-Einstein-Kondensat aus Natrium- bzw. Rubidiumatomen nur wenige milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Dabei verlieren die Einzelatome ihre individuelle Signatur und verschmelzen zu einer Art Superatom: Die Einzelatome bewegen sich in perfekter Synchronisation miteinander.
    1999 hat sie damit die Phasengeschwindigkeit auf Radfahrgeschwindigkeit hinuntergesetzt.

    Lene Vestergaard Hau, S. E. Harris, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi
    Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas
    Nature 397, Seite 594-598 18 Februar 1999

    2001 wurde Licht gefangen:
    Mit einem Kontrollaser wurde dieses BEK so eingestellt, dass es transparent wird.
    Als das Lichtpaket ins BEK eindrang, wurde der Kontrollaser abgeschaltet und Licht
    praktisch eingefroren, d.h. die Konfiguration der Elektronen im BEK speichert die im Lichtpaket vorhandene Information. Das hält aber nicht ewig: nach 1 ms ist die
    enthaltene Information dissipiert.
    Aber noch besser: Ein BEK in räumlich Trennung übernimmt die Eigenschaften eines benachbarten BEK, so dass, wenn man den Kontrollaser auf den Nachbarn richtet,
    das gefangene Licht wie von Geisterhand aus dem Nachbarn erscheint !

    Chien Liu, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi, Lene Vestergaard Hau
    Observation of coherent optical information storage in an atomic medium using halted light pulses
    Nature 409, Seite 490-493, 25 Januar 2001

12. #12 MPhil

    August 2, 2009

    @TSK

    Wow. Sehr interessant. Danke für den Beitrag. Hab mir mal die Seite “Ein verschwundener Puls taucht woanders wieder auf” auf physikclub.de zu letzterem angeschaut.

    Sehe ich das richtig, dass es demnach die Ausbreitung des Teils der Wellenfunktion des ersten BEKs welcher dem angeregten Zustand entspricht aufgrund der Phasengeschwindigkeit des entsprechenden Systems zum zweiten BEK ist, welcher die Verschränkung zwischen den System verursacht? Oder hab ich das falsch verstanden. Es kommt auf besagter Seite so rüber als würde der Berichterstatter sagen, die beiden BEKs wären sowieso ununterscheidbar… ich meine, mir ist klar, dass im Kondensat die Teilchen nicht mehr unterscheidbar/identisch sind- aber müsste messtheoretisch die Ununterscheidbarkeit zwischen den zwei BEKs nicht erst durch Verschränkung entstehen?

    Mit Verschränkung hab ich sowieso meine Probleme… ich bin mir (als Wissenschaftsphilosoph) immernoch nicht sicher wie man da als reduktionistischer Physikalist mit umgehen kann… und was das über Eigenschafts-Instanzen sagt. Aber, ich sag mal – Lokalität oder Realismus, beides geht halt nich wenn Bell wirklich recht hat.

    Naja, evtl bietet die Multiversum-Theorie oder Smolin’s Knot-theory variante der Loop-Quantum Gravity da einen Ausweg.

13. #13 MPhil

    August 2, 2009

    P.S.: Ich seh grade, das Experiment zu den zwei BEKs ist in dem Folgenden Artikel Beschrieben:

    Naomi S. Ginsberg, Sean R. Garner & Lene Vestergaard Hau
    Coherent control of optical information with matter wave dynamics
    Nature 445, Seite 623-626, 8 Februar 2007

    Auf der Seite des Harvard Instituts ist der übrigens hier zu finden:

    https://www.seas.harvard.edu/haulab/publications/pdf/Ginsberg-Garner-and-Hau-Nature-445-623-(2007).pdf