Einige Bereiche der Physik sind nicht intuitiv. Für sie ist Ihre tägliche Erfahrung ein schlechter Leitfaden dafür, wie das Universum wirklich funktioniert. Dies ist einer dieser Bereiche.

Photonen haben keine Masse. Sie haben alle die gleiche Geschwindigkeit. Dennoch haben sie Energie und Dynamik und es ist nicht für alle Photonen gleich.

Wenn Sie es gewohnt sind, $ p = mv $ span> zu verwenden, ist dies nicht sinnvoll. Die Erklärung ist einfach. $ p = mv $ span> gilt nicht für Photonen. Dies gilt für massive Objekte mit niedriger Geschwindigkeit, und Photonen sind etwas anderes.

Eine Möglichkeit, aus Photonen einen Sinn zu machen, besteht darin, sie wie das Neue zu behandeln, das sie sind. Bevor Sie auf die Quantenmechanik gestoßen sind, sind Sie nie auf etwas gestoßen, das wie ein Teilchen und wie eine Welle aussah. Was sind die Eigenschaften dieser neuen und anderen Sache?

Ein angeregtes Atom kann in den Grundzustand fallen und gleichzeitig einen Rückstoß erfahren. Eine Weile später kann ein anderes Atom, das in Bezug auf das erste Atom in Ruhe war, einen Rückstoß in die entgegengesetzte Richtung erfahren und in einen angeregten Zustand befördert werden. Ein Photon ist das, was dazwischen passiert. Experimente wie dieses zeigen, dass Photonen genug Energie hatten, um ein Atom anzuregen, und genug Impuls, um ihm einen Rückstoß zu geben. Sie zeigen, dass ein Photon so etwas wie ein Teilchen ist.

Experimente mit Beugungsgittern zeigen, dass Photonen Frequenz und Wellenlänge haben und eine höhere Frequenz / kürzere Wellenlänge höheren Energien und Impulsen entspricht.

Ich beschönige andere kontraintuitive Ergebnisse wie die Unsicherheit des Impulses.

Nachdem ich so viel gesagt habe, hoffe ich, dass ich das Wasser nicht trübe, indem ich sage, dass es kein rotes oder blaues Photon gibt. Dies kehrt zur Relativitätstheorie zurück. Sie haben einige alltägliche Erfahrungen mit der Relativitätstheorie in Galiläa, die sich nicht ganz von der speziellen Relativitätstheorie unterscheidet.

Angenommen, Sie schweben im Weltraum und stoßen auf einen Felsen. Wenn sich der Stein nicht schnell bewegt, klopft er sanft auf Sie. Wenn es sich schnell bewegt, fügt es Schaden zu. Aber man kann nicht wirklich sagen, wie sich der Stein bewegt. Sie können nur sagen, wie schnell es sich in Bezug auf Sie bewegt. Zwei Leute konnten den gleichen Felsen sehen. Man konnte sehen, wie es sich langsam und der andere schnell bewegte. Sie würden sich nicht darüber einig sein, wie viel Energie und Dynamik der Fels hat.

Angenommen, Sie sitzen in einem Boot und sehen zu, wie Wellen vorbeiziehen. Sie zählen die pro Sekunde verstrichenen Spitzen, um die Frequenz zu erhalten. Wenn Sie sich in die Wellen bewegen, stoßen Sie häufiger auf Spitzen und Ihr Wert für die Frequenz steigt. Sie sehen auch, wie sich die Wellen in Bezug auf das Boot schneller bewegen. Der Abstand zwischen den Spitzen ändert sich nicht.

Photonen haben keine Masse und ihre Geschwindigkeit ist immer c. Aber ihre Energie und Impulse verhalten sich so, wie man es von Felsen erwarten würde. Ihre Frequenz verhält sich so, wie Sie es von Wasserwellen oder Schallwellen erwarten würden. Es gibt Unterschiede in den Details, aber Ihre Intuition kann eine Art Leitfaden sein.

Photonen sind wie Steine, da verschiedene Atome unterschiedliche Energie und Impulse sehen, je nachdem, wie sie sich bewegen. Wenn wir das Experiment mit verlassenen Atomen mit Atomen wiederholen, die sich einander nähern, stellen wir fest, dass der Rückstoß höher ist als bei einem ruhenden Atom. Das Photon hat eine höhere Energie als zur Anregung des Atoms erforderlich ist. Der intuitive Teil ist, dass das Photon "härter trifft", wenn Sie stromaufwärts hineinlaufen. Der kontraintuitive Teil ist, dass sich Photonen immer mit c fortbewegen, so dass sie mit der gleichen Geschwindigkeit treffen.

Sie erhalten auch halbempfindliche Ergebnisse, wenn sich ein Atom und ein Beugungsgitter nähern. Wie Wasserwellen trifft das Beugungsgitter häufiger auf Spitzen und sieht eine höhere Frequenz. Der kontraintuitive Teil ist, dass sich die Geschwindigkeit nicht ändert, aber der Abstand zwischen den Spitzen kürzer wird. Das Beugungsgitter reflektiert die Photonen in einem anderen Winkel

Es gibt also kein rotes oder blaues Photon, weil es darauf ankommt, wie schnell sich das Objekt bewegt, auf das es trifft. Das, was es trifft, wird es als rot oder blau sehen, und etwas anderes würde es anders sehen. Dies ist jedoch wiederum nicht intuitiv. Obwohl das Photon immer eine Geschwindigkeit c erreicht, gibt es einen Unterschied. Es ist intuitiver, wenn Sie an die Relativgeschwindigkeit zwischen dem getroffenen Objekt und dem emittierten Objekt denken.

Die Quantenmechanik ist oft so. Es gibt zwei Interaktionen, und alles summiert sich vorher und nachher. Aber was dazwischen passiert, kann trübe sein. Ein Photon oder Elektron wird von einer Quelle emittiert. Es folgt keine Flugbahn, sondern nur eine Welle, die Wahrscheinlichkeiten beschreibt. Dann trifft es etwas. Der Rückstoß von Quelle und Ziel stimmt überein.

Intuition hat die Menschen dazu gebracht, nach einer tieferen Theorie zu suchen, die mehr erklärt. Wenn es eine Ursache gibt, muss es eine vorhersehbare Wirkung geben. Es stellt sich heraus, dass diese Intuition einen falschen Weg einschlägt. So funktioniert das Universum. Am besten finden Sie Wege, sich daran zu gewöhnen.

Sie unterscheiden sich in ihrer Energie.Spezielle Relativitätstheorie besagt, dass $ E = \ sqrt {m ^ 2c ^ 4 + p ^ 2c ^ 2} $ span>.Für ein massereiches Teilchen gibt es eine Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen seiner Energie und Geschwindigkeit.Im Limit $ m \ rightarrow 0 $ span> ist dies nicht mehr der Fall.Alle masselosen Teilchen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, aber ihre Energie / ihr Impuls können variieren.

Der einzige Unterschied zwischen den beiden ist die Energie, die sie haben. $$ E = \ frac {hc} {\ lambda} $$ span> Wie Sie aus der obigen Gleichung sehen können, bedeuten unterschiedliche Energien unterschiedliche Wellenlängen.Unterschiedliche Wellenlängen bedeuten unterschiedliche Farben.

Es ist wichtig zu wissen, dass Photonen zwar immer masselos sind und sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, dies jedoch nicht bedeutet, dass sie immer die gleichen Energien haben, wie aus der obigen Gleichung ersichtlich.

Lassen Sie mich ein paar Dinge hinzufügen.

1. Ein Photon ist ein Elementarteilchen, und solange es sich ausbreitet, befindet es sich in einer Überlagerung von Zuständen, dh es befindet sich in einer Überlagerung von Frequenzen und hat keine genau definierte Frequenz. Sie können die Häufigkeit erst kennen, wenn Sie mit ihr interagieren oder sie absorbieren.
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Als quantenmechanische Einheit können sich Photonen überlagern

Existiert ein einzelnes weißes Photon?

2. Ein Photon könnte, solange es sich ausbreitet, von verschiedenen Referenzrahmen aus betrachtet werden, und da es keinen universellen Referenzrahmen gibt, könnte das rote Wellenlängenphoton von einem anderen Referenzrahmen aus als blau betrachtet werden. Sie können die Häufigkeit erst kennen, wenn Sie mit ihr interagieren oder sie absorbieren.
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Warum beeinflusst die Bewegung des Emitters (Dopplerverschiebung) die Energie der Photonen

3. Nehmen wir an, Sie emittieren ein Photon mit blauer Wellenlänge, das sich im expandierenden Raum bewegt und eine kosmologische Rotverschiebung erfährt. Der Absorber sieht es als rotes Wellenlängenphoton. Wer hat Recht, würden Sie das ein blaues oder ein rotes Wellenlängenphoton nennen?
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https://en.wikipedia.org/wiki/Redshift

Diese Frage ist in der Physik noch vollständig definiert, da die Analyse des Lichts eine Dualität sein muss. in denen sie als beides verstanden werden:

1) ein "Teilchen", genannt Photon.

2) eine "masselose Welle", gemessen an ihrer Frequenz. Ich glaube, das theoretische Problem liegt zwischen:

A) ”Newtonsche Physik” (Regeln für unser Verständnis der Physik, die größer als die atomare Ebene sind); Dieses Regelwerk beschreibt genau „Fluiddynamisch“ (Regeln für unser Verständnis der Physik von Flüssigkeiten und Gasen) und „Thermal Dynamic“ (Regeln für unser Verständnis der Physik des Wärmeaustauschs und der molekularen Verbrennung).

B) ”Elektrodynamik” (Regeln für unser Verständnis der Physik atomarer und elektromagnetischer Energien), die nicht denselben theoretischen Regeln zu folgen schienen.

Die Brücke dieser beiden Felder befindet sich meines Erachtens in den Regeln von „Allgemeine Relativitätstheorie“ (Regeln für die Physik von „Materie“ , die langsamer als die Lichtgeschwindigkeit sind) und "Spezielle Relativitätstheorie" (Regeln für die Physik mit Lichtgeschwindigkeit und / oder ohne "Masse" ).

Wenn wir die Merkmale von „Licht“ in Bezug auf Farbe diskutieren, beobachten wir die Wellenfrequenz des Lichtstrahls. In diese Analyse wird die Materie eines Photons nicht als „Teilchen“ einbezogen. Vielmehr analysieren wir seine „Energieabgabe“ als Welle mit einer bestimmten Frequenz, die durch ein Vakuum übertragen werden kann (daher verstehen wir, dass keine Materiekomponente erforderlich ist, durch die wir die Masse negieren).

Die folgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Energiefrequenzen sowohl des sichtbaren Spektrums als auch der größeren elektromagnetischen Skala von Strahlung bis Radiowellen.



Die anhaltende Frage ist, dass wir beobachten können, dass diese elektromagnetischen Phänomene und Lichtgeschwindigkeitsphänomene von verschiedenen physikalischen Objekten und, wenn auch unter extremsten Umständen, von „The Weak Force“ (Schwerkraft) beeinflusst werden.Da wir dies beobachten, nehmen wir an, dass Licht und Energie Merkmale aufweisen, die ein „greifbares Teilchen“ implizieren würden, das sich auf einem Pfad bewegt.Daher behandeln wir Licht derzeit theoretisch gleichzeitig als „Teilchen“ und „Welle“, während es unpassend erscheint.Meines Wissens muss die „Materiezusammensetzung“ eines Photons erst noch über einige seiner beobachteten Eigenschaften hinaus ermittelt werden.Ich glaube, dies ist eines der aktuellen Probleme im Zentrum der nicht etablierten Theorie zur Ausrichtung von „Quantenmechanik“ (die Regeln für die Physik auf subatomarer Ebene, von denen ein Photonenteilchen klassifiziert würde) und „Allgemeine Relativitätstheorie“ .

"andere Farbe" ist ein Gefühl in Ihrem Gehirn. Rot und Blau sind unterschiedliche Gefühle, die Wurzel des unterschiedlichen Gefühls ist eine unterschiedliche Eigenschaft des Photons, die zu unterschiedlichen Gefühlen führen kann.

Im Fall des menschlichen Auges ist die Eigenschaft / der Unterschied des Gefühls die Frequenz / Energie des Photons. Photonen mit unterschiedlicher Energie stimulieren Lichtsensoren in der Netzhaut mit unterschiedlicher Stärke. Blaue Photonen stimulieren blaue Sensoren mehr, rote Photonen stimulieren rote Sensoren mehr und geben Ihrem Gehirn schließlich ein anderes Farbgefühl.

Bei sehr schlechten Lichtverhältnissen wie nachts wird ein vierter Lichtsensortyp, der auf verschiedene Photonen mit sichtbarem Licht nicht sehr unterschiedlich reagiert, viel stärker stimuliert als blaue und rote Sensoren. Das meiste visuelle Signal, das an Ihr Gehirn gesendet wird, stammt von diesem vierte Art von Lichtsensor, und deshalb können Sie bei schlechten Lichtverhältnissen keine Farbe mehr gut sehen.

All dies ist für menschliche Augen. Andere Augen (einschließlich biotechnologisch hergestellter Augen) können unterschiedliche Arten von Farbsensoren aufweisen und sogar kein Signal an das Gehirn erzeugen, basierend auf der Frequenz- / Evergy-Eigenschaft, sondern auf anderen Eigenschaften wie Polarisation?