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THEMA: Sind Photonen wirklich ohne Masse?

Sind Photonen wirklich ohne Masse? 27 Nov 2016 12:31 #9950

Hallo Forum,

Seit einigen Tagen quält mich nun eine -- wie ich glaube -- grundlegende Frage auf die ich bisher noch keine Antwort finden konnte.
Ich muss zugeben, als Informatiker beschäftigt mich das Gebiet der Physik eher sekundär, allerdings beschäftige ich mich schon seit längerer Zeit mit unseren Naturgesetzen.

Man hört immer wieder, dass Photonen masselose Teilchen (oder manchmal Wellen) seien. Aber wie können sie ohne Masse sein, wenn gilt, dass nur Massen eine Masse bewegen können. Die Tatsache, dass Photonen von Gravitationsfeldern beeinflusst werden, wurde ja hinreichend bewiesen.
Darüber haben Photonen eine Energie. Einstein lehrt uns, dass Energie zu Masse äquivalent ist. Andererseits gilt auch, dass massebehaftete Teilchen niemals die Lichtgeschwindigkeit erreichen können, Photonen bewegen sich nun aber mit genau derselben.
Wie kann das sein, wenn sie eine Energie und somit eine Masse haben? Und wieso haben sie keine Masse, wenn sie doch eine hohe Energie besitzen, aber trotzdem mit Gravitationsfeldern, welche ja nur auf Massen wirken, weil nur eine Masse eine Masse bewegen kann, wechselwirken?

Vielleicht kann mir mal jemand den Kopf-Knoten lösen?

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Sind Photonen wirklich ohne Masse? 27 Nov 2016 13:04 #9951

Hallo olly_m,

Ich hab mich von der Teilchenvorstellung vollständig gelöst. (Ok, das gelingt nicht immer aber meistens schon ;)
Ich stelle mir Photonen als ein unteilbares Wellenpaket vor. Das besitzt selber keine Masse trägt aber Energie davon.

Das die Photonen keine (Ruhe)Masse haben können hast du ja seber schon erkannt, wir würden sonst Effekte bei den Spektren von Sternen sehen da das Masseäquivalent der Energie frequenzabhängig wäre. Das Licht könnte sich dann auch nicht genau mit der Einsteinchen Grenzgeschwindigkeit c ausbreiten, rotes Licht wäre schneller als blaues und was das mit den Bildern und Spektren entfernter Galaxien machen würde kann man sich leicht ausmalen ;) (PS oder einfach durch ein Prisma schauen:)

Gruß
Merilix

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Sind Photonen wirklich ohne Masse? 27 Nov 2016 13:53 #9952

Hallo Merilix,

vielen Dank für die Antwort. Daraus folgere ich, dass ich mir ein Photon als eine Art Transporteuer von Energie vorstellen kann, also etwas, dass eine Energie lediglich transportiert, aber im eigentlichen Sinn nicht "besitzt" bzw mit der Energie selbst nichts anfängt. Ähnlich einem Briefträger, der eine Information (einen Brief) lediglich von einem Ort zu einem anderen transportiert, selbst aber mit der eigentlichen Information, also dem _Inhalt des Briefes_, nichts anfängt bzw nichts anfangen kann. Ergo: Ein Photon wechselwirkt nicht mit der Energie, die es transportiert. Erst wenn das Photon auf einen Empfänger (also ein Atom oder Molekül) trifft, wird die transportierte Energie aus Ihrem Briefumschlag befreit und kann entsprechend wechselwirken (z.B. bei der Photosynthese)
Das ist nun eine (für mich zumindest) einleuchtende Erklärung, warum Photonen selbst ohne Masse sein können und sich somit exakt mit der Geschwindigkeit c ausbreiten.

Warum sie sich nun in Graviationsfeldern, also der Raumzeitkrümmung, wie eine Masse verhalten (also sich im Rahmen ihrer Bewegungsrichtung ablenken lassen) ist mir dann allerdings noch nicht ganz klar, weil ja auch gesagt wird, dass nur Massen von einer Masse bewegt werden können. :blink:

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Sind Photonen wirklich ohne Masse? 27 Nov 2016 14:17 #9954

olly_m schrieb: ...Ähnlich einem Briefträger, der eine Information (einen Brief) lediglich von einem Ort zu einem anderen transportiert, selbst aber mit der eigentlichen Information, also dem _Inhalt des Briefes_, nichts anfängt bzw nichts anfangen kann. Ergo: Ein Photon wechselwirkt nicht mit der Energie, die es transportiert.

Ich weis nicht ob der Briefträgervergleich so passt...
Vieleicht hilft dies Bild aus Wikipedia zum Thema Wellenpaket ein bisschen.

Ich meine das ganze Paket ist das was wir Photon nennen.

olly_m schrieb: Warum sie sich nun in Graviationsfeldern, also der Raumzeitkrümmung, wie eine Masse verhalten (also sich im Rahmen ihrer Bewegungsrichtung ablenken lassen) ist mir dann allerdings noch nicht ganz klar, weil ja auch gesagt wird, dass nur Massen von einer Masse bewegt werden können.

Ganz einfach: Weil (nach Einstein) alles der Raumzeitkrümmung folgen muss, egal ob Masse oder Energie oder irgendetwas anderes. Nicht Masse zieht Masse an sondern Masse macht Raum und Zeit krumm und bucklig. Ein Wattebällchen folgt exakt der selben Bahn um die Sonne wie ein 10km großer Asteroid sofern beide die gleiche Geschwindigkeit haben. (Stimmt nicht ganz, der Asteroid ist schwer genug um selber auch ein bisschen zur Krümmung beizutragen und das Wattebällchen reagiert empfindlicher auf den Sonnenwind)

Gruß
Merilix

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Sind Photonen wirklich ohne Masse? 27 Nov 2016 14:23 #9955

Ich glaube nun ist der Knoten vollständig geplatzt. Ich hab mich gedanklich daran aufgehängt, dass nur Massen von der Raumzeitkrümmung betroffen sind. Da lag der gedankliche Hund begraben.

Vielen Dank.

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Sind Photonen wirklich ohne Masse? 28 Nov 2016 12:17 #9980

Hi Olly,

schau doch mal nach was im Netz alles unter "Geodäte" finden kannst. Dann wird schnell klar warum auch masselose Partikel der Raumzeitkrümmung folgen müssen.

Anbei ein Bild aus dem besonders klar hervorgeht was ich meine:


S = k log W

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S = k log W

Sind Photonen wirklich ohne Masse? 28 Nov 2016 19:12 #9989

In der Hoffnung, dass ich damit niemanden verwirre:

Jedes bewegte Teilchen hat eine Masse. Diese Masse setzt sich zusammen aus

Masse = Ruhemasse + (kinetische Energie) / c²

Photonen unterscheiden sich von Elekronen und Protonen, dass sie Ruhemasse = 0 haben. Bei ihnen ist daher

Masse = (kinetische Energie) / c² = h * f / c² , h = Plancksches Wirkungsquantum, f = Frequenz, c = Lichtgeschwindigkeit

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Sind Photonen wirklich ohne Masse? 28 Nov 2016 21:41 #9990

Hallo ClausS,

bist du sicher das das Attribut "kinetisch" auf die Energie des Photons passt?

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Sind Photonen wirklich ohne Masse? 29 Nov 2016 09:07 #9996

  • Ralf
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In dem Zusammenhang: Wie funktioniert eine Lichtmühle?
de.wikipedia.org/wiki/Lichtm%C3%BChle

Hochinteressant, ich dachte bislang, dass das Auftreffen der Photonen auf der reflektierenden Seite und das Verschlucken der Photonen auf der geschwärzten Seite der Flügelräder zur Drehbewegung führt. Aber es ist noch nicht einmal eindeutig geklärt, wie eine Lichtmühle fkt.

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Letzte Änderung: von Ralf. (Notfallmeldung) an den Administrator

Sind Photonen wirklich ohne Masse? 29 Nov 2016 11:52 #10001

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Aber die Erklärung am Ende mit Molekülbewegungen klingt recht plausibel.

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Sind Photonen wirklich ohne Masse? 29 Nov 2016 14:09 #10002

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Hallo olly_m befreie dich von dieser Teilchen Sichtweise bei einem Photon, es ist so viel ein Teilchen, wie auch ein "Radiosignal aus Teilchen besteht" nur mit anderen Wellenlänge. Was man als Teilchen erst erkennen kann ist die Wechselwirkung mit Materie, ob wehrend dessen oder erst danach man es als so Teilchen definieren möchte ist mir egal. Aber auf keinem fall ist ein Photon ein Teilchen wehrend es sich bewegt, was wohl Feynman dazu sagen würde. :D

Hallo Ralf Die heutige Sicht ist da zum glück etwas anders, und es ist nicht zur vernachlässigen in vielen Kreterin, jedoch ist möglich das diese Erkenntnis noch viel zu jung ist: arxiv.org/pdf/1506.06827.pdf es ist aus dem Bereich der Quanten Optik und veranschaulicht etwas die Problematik der Wellenpartikel-Dualität von Photonen.

Ja ich kann alles, sogar definieren was ich nicht kann.

Man muss noch Chaos in sich haben, um einen tanzenden Stern gebären zu können.
**Der Friedrich**

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Ja ich kann alles, sogar definieren was ich nicht kann.

Man muss noch Chaos in sich haben, um einen tanzenden Stern gebären zu können.
**Der Friedrich**

Sind Photonen wirklich ohne Masse? 29 Nov 2016 17:16 #10005

Für die Entdeckung, dass Photonen auch Teilcheneigenschaften haben (nämlich wie Du schreibst bei WW mit Materie) hat immerhin Einstein seinen Nobelpreis bekommen (Photoelektrischer Effekt). Daher trifft der Welle-Teilchen Dualismus prinzipiell auch auf Photonen zu.

Ich denke eher, dass man im Mikroskopischen mit den aus dem Makroskopschen bekannten Begriffen und Anschauungen wie "Welle" oder "Teilchen" an Grenzen stößt. Im Mikroskopischen verhalten sich die Dinge einfach anders als wir uns das mit unseren Erfahrungen vorstellen können.

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Sind Photonen wirklich ohne Masse? 29 Nov 2016 22:34 #10013

Sollte man nicht auch zur Kenntnis nehmen, dass das Photon ein Boson ist, ein Wechselwirkungs-Übertrager, nämlich der elektromagnetischen?

"`Oh dear,' says God, `I hadn't thought of that,' and promptly vanished in a puff of logic.

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"`Oh dear,' says God, `I hadn't thought of that,' and promptly vanished in a puff of logic.

Sind Photonen wirklich ohne Masse? 05 Dez 2016 15:10 #10147

ClausS schrieb: Für die Entdeckung, dass Photonen auch Teilcheneigenschaften haben (nämlich wie Du schreibst bei WW mit Materie) hat immerhin Einstein seinen Nobelpreis bekommen (Photoelektrischer Effekt). Daher trifft der Welle-Teilchen Dualismus prinzipiell auch auf Photonen zu.

Ich denke eher, dass man im Mikroskopischen mit den aus dem Makroskopschen bekannten Begriffen und Anschauungen wie "Welle" oder "Teilchen" an Grenzen stößt. Im Mikroskopischen verhalten sich die Dinge einfach anders als wir uns das mit unseren Erfahrungen vorstellen können.

Ist das nun eine "echte" Masse oder redest du von einem Masseäquivalent? In meiner Vorstellungswelt haben Photonen keine Masse (=0) und werden von Gravitation deshalb abgelenkt weil sie auf Geodäten der Krümmung der Raumzeit folgen müssen. Falls das eine falsche Vorstellung ist, dann hilf mir bitte sie gerade zu rücken.

S = k log W

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S = k log W

Sind Photonen wirklich ohne Masse? 05 Dez 2016 19:00 #10163

Madouc99 schrieb: Ist das nun eine "echte" Masse oder redest du von einem Masseäquivalent? In meiner Vorstellungswelt haben Photonen keine Masse (=0) und werden von Gravitation deshalb abgelenkt weil sie auf Geodäten der Krümmung der Raumzeit folgen müssen. Falls das eine falsche Vorstellung ist, dann hilf mir bitte sie gerade zu rücken.


Wo habe ich von einer Masse geschrieben?

Deine Vorstellung deckt sich mit meiner.

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Sind Photonen wirklich ohne Masse? 06 Dez 2016 12:07 #10211

Wenn man von dem Gedanken abrückt, dass Massen sich gegenseitig anziehen.
Und dafür nur die Krümmung des Raumes im Kopf hat, wie im Roulette-Spiel:

Dann würde ein masseloses Teilchen ja nicht angezogen in dem Sinne, sondern würde einfach dem Weg im Raum folgen, der ja gekrümmt ist.

So würde ich mir das erklären. Braucht es somit keine Masse, um von Masse beeinflusst zu werden.

Liebe Grüße !

1
______
998001

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1
______
998001

Sind Photonen wirklich ohne Masse? 06 Dez 2016 12:08 #10213

ClausS schrieb:

Madouc99 schrieb: Ist das nun eine "echte" Masse oder redest du von einem Masseäquivalent? In meiner Vorstellungswelt haben Photonen keine Masse (=0) und werden von Gravitation deshalb abgelenkt weil sie auf Geodäten der Krümmung der Raumzeit folgen müssen. Falls das eine falsche Vorstellung ist, dann hilf mir bitte sie gerade zu rücken.


Wo habe ich von einer Masse geschrieben?

Deine Vorstellung deckt sich mit meiner.


Hmmm.... hier:

ClausS schrieb: In der Hoffnung, dass ich damit niemanden verwirre:

Jedes bewegte Teilchen hat eine Masse. Diese Masse setzt sich zusammen aus

Masse = Ruhemasse + (kinetische Energie) / c²

Photonen unterscheiden sich von Elekronen und Protonen, dass sie Ruhemasse = 0 haben. Bei ihnen ist daher

Masse = (kinetische Energie) / c² = h * f / c² , h = Plancksches Wirkungsquantum, f = Frequenz, c = Lichtgeschwindigkeit


S = k log W
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S = k log W

Sind Photonen wirklich ohne Masse? 06 Dez 2016 19:07 #10253

Ok, jetzt sehe ich es. Im zitierten Bereich war keine Masse drin, deshalb hatte ich mich gewundert.

Meine Aussage zur Photonenmasse ziehe ich zurück.

In wikipedia finde ich hierzu:
"Das Photon ist ein Elementarteilchen mit der Masse m = 0. Neben experimentellen Messungen, die diese Tatsache sehr gut belegen, ist dies theoretisch dadurch begründet, dass ein Masseterm des Photons die Eichinvarianz der Lagrangedichte im Rahmen der Quantenelektrodynamik verletzen würde. Im Gegensatz zu anderen Teilchen erhält das Photon auch keine Massenänderung durch Wechselwirkung mit Vakuumfluktuationen.

Wegen der Äquivalenz von Energie und Masse ist gleichzeitig richtig, dass ein physikalisches System, wenn es eine Masse m > 0 besitzt, einen Massenzuwachs Δ m = E / c² erfährt, wenn es ein Photon der Energie E aufnimmt."

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Sind Photonen wirklich ohne Masse? 06 Dez 2016 21:36 #10263

Hehehe! Im uns gegenseitig verwirren sind wir unschlagbar B)

S = k log W

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S = k log W
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