Hinweis: Diese Antwort war eine Antwort auf die ursprüngliche Frage:

Meine Frage ist, warum sich die Lichtstrahlen, die sich gegenseitig kreuzen können, water Wellen und air nicht kreuzen konnten

Andere Wellen gehen wie Licht durcheinander. Dies ist leicht zu testen. Stellen Sie vier Personen an die Ecke eines großen Raums. Lassen Sie zwei von ihnen an benachbarten Ecken mit der Person an einer diagonalen Ecke sprechen. Verwenden Sie einen Kegel, den eine Cheerleaderin möglicherweise verwendet, um den Klang etwas zu kanalisieren. Möglicherweise werden Sie von der anderen Stimme etwas abgelenkt, aber Sie hören die Stimme deutlich aus der gegenüberliegenden Ecke.

Hier ist eine Standarddemo in einem naturwissenschaftlichen Kurs der High School. Lassen Sie zwei Schüler jedes Ende eines mäßig gedehnten Slinky auf einem glatten Boden halten. Lassen Sie jeden Schüler den Slinky scharf nach rechts schnappen. Da sich die Schüler gegenüberstehen, sind die Impulse einander entgegengesetzt, wenn sie sich zu entgegengesetzten Enden bewegen. Wenn sich die beiden Impulse in der Mitte treffen, erscheint der Slinky relativ gerade, aber nur für einen Moment. Die beiden Impulse wandern weiter aneinander vorbei, als hätten sie sich nie getroffen.

Wellen der gleichen Art, die sich gegenseitig durchlaufen, behalten nach der Begegnung ihre ursprüngliche Identität. Dies ist eine grundlegende Eigenschaft von Wellen. Sie können sie in jedem einführenden Physiktext nachlesen.

Ich glaube, weil Sie das Licht als Partikel (kleine feste Kugeln) betrachten, scheint es ein bisschen seltsam, dass "sie sich gegenseitig passieren können".Ich denke, das Denken in (Quanten-) Feldern wird dies beseitigen.Wie bereits erwähnt, sind Photonen Bosonen, und daher gibt es für sie kein Pauli-Ausschlussprinzip.Das heißt, sie können zur gleichen Zeit am gleichen Ort sein ... die Tatsache, dass sie sich gegenseitig "durchqueren" können, scheint weniger seltsam, wenn man das weiß.

Einfacher gesagt, die Informationen der Photonen breiten sich aus, und es gibt nichts, was diese Informationen daran hindert, dass die Photonen gleichzeitig denselben Punkt im Raum überqueren.Dies ist leichter zu erkennen, wenn Sie sich mit Mathematik auskennen und sich die Gleichungen ansehen, die Photonen erklären.

* Hinweis: Bei dieser Erklärung vernachlässigen wir alle Wechselwirkungen zwischen Photonen.

Sie scheinen nach einer mathematisch orientierten Antwort zu suchen, also lassen Sie uns das versuchen. Sie cannot beweisen, dass sich Lichtstrahlen kreuzen können, da dies false ist: Es funktioniert nur in der Annäherung an sehr schwaches Licht. Wenn Sie Ihre Lichtquelle nehmen und die Frequenz oder Amplitude des elektrischen Feldes erhöhen würden, würden Sie ein nichtlineares Verhalten beobachten: Strahlen würden sich beim Durchgang sehr deutlich gegenseitig beeinflussen.

Der Schlüsselaspekt des Überlagerungsprinzips ist die Linearität, dh die Tatsache, dass die Maxwellschen Gleichungen linear sind. Wenn Sie elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Material berücksichtigen, ist bekannt, dass bei ausreichend intensiver Strahlung die Polarisation nichtlinear wird und Sie in den Bereich der nichtlinearen Optik eintreten. Hier wird die Polarisation $ \ boldsymbol P $ eine (nichtlineare) Funktion von $ \ boldsymbol E $, und daher wird die Wellengleichung $$ \ left (\ nabla \ times \ nabla \ times + \ frac {n ^ 2} {c ^ 2} \ frac {\ partiell ^ 2} {\ partiell t ^ 2} \ rechts) \ boldsymbol E = \ frac {1} {c ^ 2} \ frac {\ partielle ^ 2} {\ partielle t ^ 2} \ Boldsymbol P (\ Boldsymbol E) $$ Dies ist eine nichtlineare Gleichung für $ \ boldsymbol E $. Beispielsweise tritt bei einer sehr starken Lichtquelle (die sich durch die Luft bewegt) der Kerr-Effekt oder andere nichtlineare Effekte ein. Dies ist auf quadratische (und höhere) Terme im Polarisationstensor $ \ zurückzuführen Boldsymbol P \ sim \ chi_1 \ Boldsymbol E + \ chi_2 \ Boldsymbol E \ otimes \ Boldsymbol E + \ cdots $.

Die Polarisation realistischer Materialien ist always nichtlinear, und daher beeinflussen sich die Lichtstrahlen always gegenseitig. Nur in der Grenze $ \ chi_2E ^ 2 \ ll \ chi_1E $ wird die Wellengleichung linear; Mit anderen Worten, nur an der Grenze sehr schwacher Strahlung sind Lichtstrahlen, die andere Lichtstrahlen nicht wahrnehmen

Auch im Vakuum können Sie nichtlineares Verhalten beobachten. Der durch quantenmechanische Effekte korrigierte Maxwell Lagrangian wird $$ \ mathcal L = \ frac12 (\ boldsymbol E ^ 2- \ boldsymbol B ^ 2) + \ frac {2 \ alpha} {45m ^ 4} \ left [(\ boldsymbol E ^ 2- \ boldsymbol B ^ 2) ^ 2+7 (\ boldsymbol E \ cdot \ boldsymbol B) ^ 2 \ rechts] $$ Dabei ist $ \ alpha \ sim 1/137 $ die Feinstrukturkonstante und $ m $ die Masse des Elektrons.Da $ \ mathcal L $ in $ \ boldsymbol E, \ boldsymbol B $ nicht linear ist, ist die Ausbreitung elektromangetischer Wellen nicht mehr linear und das Überlagerungsprinzip hört auf zu gelten.Nur wenn Sie die nichtlinearen Terme vernachlässigen können, wird das Überlagerungsprinzip gültig.

Kurz gesagt, Ihre Frage basiert auf einer falschen Prämisse.Lichtstrahlen scheinen in der Lage zu sein, sich gegenseitig zu kreuzen und ihren Weg unberührt fortzusetzen. Dies liegt jedoch daran, dass Sie nicht empfindlich genug Instrumente verwenden (z. B. Ihre Augen).Wenn Sie die Wirkung von Lichtstrahlen auf einander mit einem sehr guten Gerät messen würden, würden Sie feststellen, dass sie sich sowohl in einem Material als auch im Vakuum gegenseitig beeinflussen.

Warum können sich die Lichtstrahlen kreuzen

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Die zugrunde liegende Ebene der Natur ist quantenmechanisch. Licht ist ein emergentes Phänomen auf der quantenmechanischen Ebene von Photonen, bei dem eine enorme Anzahl von Photonen der Energie $ h \ nu $ die klassische elektromagnetische Welle aufbaut, die Licht ist.

Photon-Photon-Wechselwirkungen sind bei Energien unter der doppelten Masse eines Elektrons sehr, sehr selten. Das quantenmechanische Feynman-Diagramm zweier wechselwirkender Photonen, aus dem die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung berechnet werden kann:

hat vier elektromagnetische Eckpunkte, d. h. (1/137) ^ 1/2 für die Amplitude, und wenn es quadriert wird, wenn es das Integral für die Wahrscheinlichkeit multipliziert, wird die Zahl winzig, so dass Photonenphotonenwechselwirkungen sehr selten sind. Wie die Antwort von @AccidentalFourierTransform besagt, kann bei Verwendung klassischer elektromagnetischer Wellen eine gewisse Interaktion auftreten, für deren Anzeige jedoch eine sehr gute Instrumentierung erforderlich wäre.

Man kann Interferenzen zwischen zwei Lichtstrahlen sehen, aber Interferenzen sind keine Wechselwirkungen. Sie entstehen durch die Überlagerung von zwei kollektiven Wellenfunktionen, die bei ihrer Erkennung das Interferenzmuster anhand der Art und Weise zeigen, wie die Wellenfunktionen der Photonen den makroskopischen Lichtstrahl aufbauen . Überlagerung ist keine Wechselwirkung, daher können sich die Strahlen kreuzen und ihren Weg fortsetzen, wenn kein Detektor in die Überlappung eingeführt wird. (Um Interferenzmuster zu sehen, sollte man kohärente monochromatische Strahlen haben.)

Bei hochenergetischen Photonen öffnen sich andere Kanäle mit höherer Wahrscheinlichkeit, aber das ist eine andere Geschichte.

Es gibt keine Kraft, die zwischen zwei Photonen wirken könnte, so dass sie nicht * miteinander interagieren können, um Interferenzen zu verursachen.

* Zumindest zum größten Teil können sie Interferenzen durch Zerfall anderer Partikel verursachen.

Weil das Licht aus Photonen besteht.Und Photonen sind Bosonen (nicht wie zum Beispiel Elektronen, die Fermionen sind. Bosonen und Fermionen gehorchen unterschiedlichen Gesetzen (suchen Sie nach Fermi-Dirac-Statistiken und Bose-Einstein-Statistiken auf Wikipedia für weitere Informationen). In kurzen und weltlichen Worten: Fermionen können nicht seinzur gleichen Zeit am gleichen Ort, aber Bosonen können. Deshalb gehen Lichtstrahlen durch einander.

Eine kleine Ergänzung zu anderen Antworten. Licht ist sowohl eine Welle als auch ein Teilchen, genannt Wellen-Teilchen-Dualität. Im Grunde wirkt es sowohl wie eine Welle als auch wie ein Teilchen. Es ist sehr kompliziert, darauf einzugehen, und ich kann nicht richtig beschreiben, wann es sich in allen Situationen wie das verhält, aber es gibt einige, die hier relevant sind. Zunächst einmal ist Luft ein Partikel oder vielmehr viele, viele Partikel. Als solche können sie sich, wie Sie beschrieben haben, nicht kreuzen. Was wir jedoch gefunden haben, ist, dass Licht in diesem Aspekt nicht wie ein Teilchen wirkt, sondern wie eine Welle. Der Kommentar von Peter Shor verweist auf dieses Bild, das dies im Wasser zeigt und zeigt, wie sich Wellen verhalten, wenn sie sich überkreuzen. Dies wird als Interferenz bezeichnet. Wenn sich zwei Wellen kreuzen, stören sie sich gegenseitig und verändern die Gesamtgröße der Welle. 2 Wellen können aufeinander stapeln und doppelt so hoch werden, oder sie treffen auf die Tiefpunkte des anderen und werden abgeflacht. Sie könnten beides und alles dazwischen tun, aber sie werden wegen dieses Treffens nicht aufhören, sich zu bewegen. Der Interferenz-Link oben zur Wiki-Seite enthält einige gute Animationen.

Licht wirkt auf die gleiche Weise. und dies wird am einfachsten durch das berühmte Doppelspaltexperiment gezeigt. Es gibt zahlreiche Youtube-Videos, die dies animieren, wie z. B. dieses, das zeigt, dass Licht beim Durchgang durch zwei Schlitze auf eine Wand trifft, die genau das gleiche Muster aufweist wie Wasserwellen in derselben Situation. und dieses Muster wird das Interferenzmuster genannt. Es zeigt auch die Welle-Teilchen-Dualität, denn wenn Sie das Licht tatsächlich überwachen, um festzustellen, wie es durch die Schlitze hindurchgeht, verhält es sich wie ein Teilchen, aber das ist eine ganz andere Frage.