Auf den ersten Blick erscheint die Frage nach dem Gewicht des Schattens albern. Selbst wenn der Schatten ein Gewicht hat, muss er so klein sein, dass er nur mit der Mikropartikel-Technik gemessen werden kann. Es gibt auch eine andere Frage: Hat Licht Gewicht, da es auf die eine oder andere Weise einem Objekt ein bestimmtes Gewicht geben sollte?
Diese beiden Fragen scheinen seltsam, aber interessant genug, also habe ich beschlossen, sie herauszufinden.
Erinnern wir uns zuerst an Peter Pan, sie sagen, er habe einen lebenden Schatten gehabt, aber er war so unbedeutend, dass er nicht mehr als Zigarettenrauch zu wiegen schien. Peter Pan war natürlich eine fiktive Figur, obwohl es auf Quantenebene vielleicht keine Rolle spielt, und sein Schöpfer, J. M. Barry hatte nicht genug wissenschaftliche Kenntnisse.
In der Tat können wir anhand eines der Referenzrahmen den Schluss ziehen, dass unsere Schatten tatsächlich weniger als nichts wiegen. Vor vierhundert Jahren bemerkte der Astronom Johannes Kepler, dass Kometenschwänze immer von der Sonne abgewandt sind, und kam zu dem Schluss, dass die Sonnenstrahlen Druck ausüben, der Partikel wegträgt. Im späten 19. Jahrhundert formulierte der Physiker James Clerk Maxwell eine Gleichung zur Berechnung des Lichtdrucks, die 1903 experimentell bestätigt wurde.
Ich hoffe du verstehst was ich vorhabe. Wenn Sie stehen und die Sonnenstrahlen auf Sie fallen, schaffen Sie eine Zone mit reduziertem Druck, die mit Schatten bedeckt ist. Im Vergleich zum Rest der Landschaft wiegt Ihr Schatten (oder genauer gesagt der Bereich, den er abdeckt) weniger.
Wie viel weniger? Nicht viel. Der Druck der Sonnenstrahlen ist unglaublich gering: weniger als ein Milliardstel Pa auf der Erdoberfläche. Mit anderen Worten, es würde mehrere Millionen menschliche Schatten erfordern, um ein Pfund Lichtintensität im Schatten zu berücksichtigen. Licht, das auf die Stadt Chicago fällt, hat eine Gesamtstärke von etwa 1334N.
Sehr klein bedeutet jedoch nicht unwichtig. Damit sich die japanische Raumsonde Hayabusa 2005 dem Asteroiden Itokawa näherte, neben ihm schwebte und ihn auch nicht zur Detonation brachte oder mit ihm kollidierte, wurde der leichte Druck von 1 Prozent des Motorschubs der Sonde berücksichtigt. Dies geschah mit unglaublicher Präzision, sodass die Sonde auf dem Asteroiden landen, Staubproben sammeln und im Juni 2010 zur Erde zurückkehren konnte.
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Ein weiteres ebenso interessantes Objekt ist das japanische Sonnensegelboot IKAROS, ein Traum von Science-Fiction-Autoren seit mindestens 50 Jahren, das 2017 endlich auf den Markt gebracht wurde. Die Idee war, dass das Sonnensegel den Druck des Lichts, den Sonnenwind (einen schwachen Strom geladener Teilchen, die von der Sonnenkorona ausgehen) und die Nutzlast nutzte, um es zu bewegen. Im Juni setzte IKAROS erfolgreich sein Segel, ein 7,5-Mikrometer-Quadrat aus ultradünnem Film, das mit einem Solarpanel als Stromquelle ausgestattet war. Im Juli berichtete die japanische Raumfahrtbehörde, dass IKAROS durch einen Solardruck von 1,12 mN angetrieben wird, was im Prinzip nicht so viel ist. Aber diese Kraft wird durch die Sonnenstrahlen erzeugt und ist kostenlos! Wissenschaftler haben dies in einer Entfernung von mehr als vier Millionen Kilometern getan! Es verdient Respekt.
Im Jahr 2010 haben Forscher der Australian National University gezeigt, dass mit Licht winzige Partikel angehoben und 30 cm voneinander entfernt werden können. Sie dachten, dass sie irgendwann in der Lage sein würden, dasselbe bei 10 Metern zu tun, was auch nicht so toll zu sein scheint. Wenn es sich bei dem winzigen Partikel jedoch um ein tödliches Virus, eine lebende Zelle oder ein Gasmolekül handelt, das auf keine andere Weise bewegt werden kann, wissen Sie, was ich meine.
Ist die Frage nach dem Gewicht des Schattens dumm? Im Allgemeinen ja. Auf der Suche nach einer Antwort auf diese dumme Frage machen wir jedoch einen kleinen, aber sehr wichtigen Schritt und versuchen zu verstehen, was relativ leicht ist. Früher wurde diese Frage von Kepler, Maxwell, gestellt, und jetzt sind wir es.
Ich erinnere mich an die Erfahrungen aus dem Physikunterricht. Der Lichtstrahl wurde auf das Laufrad gerichtet, dessen Blütenblätter abwechselnd weiß und schwarz gestrichen waren. Unter dem Einfluss von Licht begann sich die Turbine zu drehen, was eindeutig bewies, dass Licht einen Impuls hat. Dies bedeutet, dass der Lichtstrom nicht nur Wellen, sondern auch Teilchenkörperchen sind (dualer oder dualer Natur). Das Gewicht des Schattens hat einen negativen Wert, da der geringste Druck der Lichtstrahlen vom Körper ausgeübt wird, der den Schatten abschirmt.
Es gibt eine ganze Diskussion über den Schatten auf der Frage:
- Gewicht (in der Physik) ist die Kraft, mit der der Körper auf die Stütze drückt. Es wird normalerweise mit Masse verwechselt, da im Gravitationsfeld der Erde das Gewicht proportional zur Masse ist und der Proportionalitätskoeffizient (Erdbeschleunigung) praktisch unverändert bleibt. Auch in einem rotierenden Nicht-Trägheitssystem (zum Beispiel in einer rotierenden Raumstation) ist die Zentrifugalkraft (und damit das Gewicht von Objekten) proportional zu ihrer Masse, aber der Proportionalitätskoeffizient ist unterschiedlich. Nun zum Schatten. Natürlich ist es kein Objekt. Und sie hat keine Masse. In gewissem Sinne hat der Schatten jedoch Gewicht. Nur er ist negativ! Ein Schatten ist schließlich die Abwesenheit von Licht aufgrund eines Hindernisses, das ihm im Weg stand. Licht ist ein Strom von Photonen mit Masse und Geschwindigkeit und mit ihnen Impuls. Wenn die Photonen flogen, würden sie ihre Impulse auf den beleuchteten "Träger" übertragen und einen kontinuierlichen Druck ausüben. Und der DruckFläche multipliziert ist Stärke. Wir können das Gewicht des Lichts sagen. Nun, der Schatten ist die Abwesenheit von Licht und seinem "Gewicht". Das heißt, im Vergleich zur Beleuchtung scheint der Schatten ein "negatives" Gewicht zu haben, ungefähr wie ein "Loch" (Fehlen eines negativ geladenen Elektrons in einem Halbleiter) "eine positive Ladung" hat.
- Was ist absurd? Photonen haben keine Masse, sie haben einen Impuls, und wenn Sie sich von der Formel E = mc ^ 2 leiten lassen, ist die Energie für ein Photon gleich E = pc, weil Photonen keine Ruhemasse haben und nicht haben können. Nun zur negativen Masse. Die negative Masse wird hypothetisch von Partikeln exotischer Materie besessen. Und dies manifestiert sich in der Tatsache (vergessen Sie nicht, dass Masse ein Maß für die Trägheit ist), dass dieses Teilchen, wenn Sie es "schieben", in die andere Richtung fliegen wird. Es hat nichts mit diesem Problem zu tun. Wenn Sie Ihrer Straßenlogik folgen, kann alles, was zu sein scheint, als negativ bezeichnet werden, aber es gibt ein Hindernis dafür. Sie amüsierten sich auch über grobe Annahmen wie: Impuls ist Masse und Masse ist Kraft und Kraft ist Druck und Druck ist Gewicht. Mit diesem Ansatz können Sie alles beweisen. Es gibt sogar einen Namen dafür (ich erinnere mich nicht),wenn ein falsches Urteil als Grundlage (Wahrheit) genommen wird und die Aussage, die benötigt wird, daraus abgeleitet wird. Sie könnten ein guter Verschwörungstheoretiker sein.
- Ohne Masse gibt es keinen Impuls. Energie ohne Masse gibt es auch nicht. Über die Messe wurde kein Wort gesagt. Gewicht ist keine Masse. Dies wurde von Anfang an gesagt. Das „Gewicht“des Schattens ist (in gewissem Sinne) negativ. Es gab keinen Schatten einer "Masse". Das Fehlen von etwas als das Vorhandensein von etwas direkt Gegenteiligem darzustellen, ist eine bequeme, langjährige und weit verbreitete Tradition in der Physik. Ich beziehe mich nicht versehentlich auf "Löcher" (Mangel an Elektronen) in Halbleitern. Es ist zweckmäßig, sie (und werden als solche betrachtet) als "Ladungsträger" mit der Subformität von Elektronen, aber dem entgegengesetzten Vorzeichen der Ladung zu betrachten. Weil ich nicht daran gearbeitet habe, Ihnen die Grundlagen der Physik beizubringen.
- Es ist schwer, eine Frage zu ignorieren, bei der oben eine grundlegend falsche Antwort hängt. Das Gewicht ist eine physikalische Vektorgröße, die die Wirkkraft eines Körpers auf einen Träger charakterisiert. P = m * g. Es ist ersichtlich, dass das Gewicht beispielsweise negativ sein kann, wenn die Dichte des Körpers geringer ist als die Dichte des Mediums (die Auftriebskraft wirkt auf den Körper). Negatives Gewicht bedeutet nicht seine Abwesenheit. Nun ein wenig darüber, was ein Schatten ist. Schatten ist ein optisches Phänomen, das unter verschiedenen Lichtbedingungen auftritt. Und das bedeutet nicht, dass kein Licht vorhanden ist. Es ist nur so, dass eine Oberfläche heller ist (mehr Photonen treffen darauf und reflektieren darauf) und die andere dunkler (Schatten). Wir wissen, dass Photonen keine Masse haben (wenn ein Photon Masse hätte, müsste seine Ablenkung im Gravitationsfeld von seiner Frequenz abhängen, aber wir beobachten dies nicht, nach allen Berechnungen ist es bisher achromatisch).und haben daher kein Gewicht, aber sie haben Energie und Schwung. Da Photonen einen Impuls haben, übt auf einen Körper fallendes Licht Druck auf ihn aus (die Quantentheorie des Lichts erklärt den Lichtdruck als Ergebnis der Impulsübertragung durch Photonen auf Atome oder Moleküle einer Substanz), kann jedoch in keiner Weise mit dem Gewicht identifiziert werden. All dies ist ein Kommentar zu Nektos Antwort. Tatsächlich hat der Schatten kein Gewicht, da es sich nur um ein optisches Phänomen handelt, wie z. B. das Überlaufen von Benzin (Interferenz in dünnen Filmen) oder Ihre Reflexion in Wasser.aber es kann in keiner Weise mit Gewicht identifiziert werden. All dies ist ein Kommentar zu Nektos Antwort. Tatsächlich hat der Schatten kein Gewicht, da es sich nur um ein optisches Phänomen handelt, wie z. B. das Überlaufen von Benzin (Interferenz in dünnen Filmen) oder Ihre Reflexion in Wasser.aber es kann in keiner Weise mit Gewicht identifiziert werden. All dies ist ein Kommentar zu Nektos Antwort. Tatsächlich hat der Schatten kein Gewicht, da es sich nur um ein optisches Phänomen handelt, wie z. B. das Überlaufen von Benzin (Interferenz in dünnen Filmen) oder Ihre Reflexion in Wasser.
- Beweist die Frequenzunabhängigkeit etwas? In der klassischen Mechanik ist die Winkelablenkung des Lichts auch unabhängig von der Frequenz (deltaV / c) = (2 * G * M) / (R * c2). In der SRT ist (deltaV / c) = (4 * G * M) / (R * c2), dh doppelt so viel, aber es werden keine Abhängigkeiten hinzugefügt / hinzugefügt. Ich bezweifle, dass ein Parameter des Systems aus einer Änderung der Terminologie verschwinden kann. Das heißt, das Gewicht des Lichts sollte nirgendwo hingehen. Es muss möglicherweise irgendwie neu definiert werden, aber es sollte nicht sein, dass es in der alten Version nicht Null war und in der neuen Version Null. Darüber hinaus gibt es einen Impuls.
WIE VIEL GEWICHTET DAS LEICHTE? So viel wie seine Energie
Photonen, Lichtteilchen, haben keine Ruhemasse und existieren nur in Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit. Daher kann ein Photon nicht gewogen werden. Die Wände eines Gefäßes emittieren jedoch Wärmestrahlung und füllen das innere Volumen mit Photonen. Sie bewegen sich zufällig in alle Richtungen und ihre Durchschnittsgeschwindigkeit ist Null. Wie Physiker sagen, hat ein Photonengas eine Masse, die seiner Energie entspricht (E = mc2), und im Prinzip kann es gewogen werden. Beispielsweise wiegt Wärmestrahlung in einem Literbehälter etwa ein Kohlenstoffatom. Die Strahlungsmasse wächst schnell mit der Temperatur, aber nur bei einer Milliarde Grad wird sie in der Dichte der Substanz entsprechen, an die wir gewöhnt sind. Darüber hinaus ist diese Strahlung selbst kein gewöhnliches Licht mehr, sondern harte Röntgenstrahlen.
Es ist leicht herauszufinden. Wir rennen in die Küche, nehmen eine elektronische Waage und stellen sie gegen Mittag direkt senkrecht zum Sonnenlicht auf. Unter der Annahme, dass wir sauber sind und das gesamte Licht vollständig von der glänzenden Oberfläche der Waage reflektiert wird, nehmen wir aus der Tabelle ru.wikipedia.org den numerischen Wert des Drucks der Sonne bei voller Reflexion (9,08 Mikronewton pro Quadratmeter) und multiplizieren ihn mit der Fläche der Arbeitsfläche unserer Gewichte (~ 0,11 Quadratmeter)). Wir erhalten ~ 100 NanoNewton, die Kraft des Sonnenwinddrucks auf die Waage. Wir übersetzen dies in die allen bekannten Einheiten (Kilogramm) und dividieren das Ergebnis durch die Erdbeschleunigung (9,8 m / s ^ 2). Ist dies das Ergebnis, das wir auf unserer Küchenwaage sehen würden, wenn wir das Sonnenlicht wiegen, ~ 10 Nanogramm?
Entgegen der weit verbreiteten Meinung gibt es ein Analogon der Lichtmasse, und es ist ziemlich physikalisch bedeutsam. Lassen Sie uns ein Gedankenexperiment machen. Angenommen, Sie haben eine Kammer mit verspiegelten, absolut reflektierenden Innenwänden und einer genau bekannten Masse. Und jetzt lassen Sie einen starken Strahl eines Lasers für kurze Zeit durch das Loch eintreten, kurz danach schließt sich das Loch. Licht ist in der Kammer und wandert von Wand zu Wand.
Wenn es also die Möglichkeit ultrapräziser Messungen gäbe, würde sich herausstellen, dass die Masse der Kammer mit dem darin eingeschlossenen Licht zugenommen hätte. Insbesondere wird es schwerer. Und ihre Trägheit wird wachsen. Und die Schwerkraft (!). Traditionell werden alle diese Eigenschaften spezifisch der Masse zugeschrieben.
Der formale Beweis ist zumindest folgender: Lassen Sie die Elektronen und Positronen einige Zeit in der Kammer sein; Natürlich erhöhen sie die Gesamtmasse. Bald darauf vernichten sie alle - und wir haben eine Kamera mit Gammaquanten. Es ist klar, dass sich die Masse der Kammer nicht verändert hat!
Wie viel wiegt das Universum?
Wie viel das Universum wiegt, können Sie versuchen zu berechnen, indem Sie die Masse der Quasare bestimmen. Durch die Untersuchung benachbarter Galaxien haben die Forscher festgestellt, dass eine Korrelation zwischen der Masse des Schwarzen Lochs und der Galaxie besteht. Typischerweise ist die Masse eines Schwarzen Lochs ein kleiner Prozentsatz der Masse eines Sternensystems und liegt im Bereich von etwa 0,14 Prozent bis 0,5 Prozent. Wenn diese Beziehung im frühen Universum zutrifft, sollte die Masse der Galaxie den erstaunlichen Billionen Sonnenmassen in Sternen entsprechen. Ganz zu schweigen von seiner dunklen Materie, die bei weitem der massereichste Teil jedes Sternensystems ist. Es ist noch nicht möglich, die Masse anderer Galaxien zu bestimmen, wenn sie im modernen Universum existieren. Wenn es jedoch Galaxien im vorhergesagten Massenbereich gibt, wird dies erstmals in dieser Zeit entdeckt.
Das Studium der Massivität der Galaxie liefert Informationen darüber, wie sie im Universum wächst. Sein Wachstum beträgt etwa 2000 km pro Tag. Es gibt eine völlig unbeweisbare Zahl, dass die Masse der Galaxie irgendwo in der fünfzigsten Potenz von Tonnen liegt. Die Leuchtkraft entfernter Quasare und das Gewicht des Universums.
Warum besteht eine Korrelation zwischen der Masse eines Schwarzen Lochs und einer Galaxie? Welche Beziehung besteht zwischen der Akkretion von Schwarzen Löchern und der Sternentstehung? Die Forscher berechneten, dass die Leuchtkraft von Quasaren bei maximaler Geschwindigkeit von der Eddington-Grenze abhängt. Die Eddington-Grenze existiert, weil je schneller das Schwarze Loch den Körper absorbiert, desto mehr Reibung und daher mehr Licht in der Akkretionsscheibe erzeugt wird. Mit zunehmender Verbrauchsrate eines Schwarzen Lochs steigt die Menge der emittierten Strahlungsenergie, was wiederum die Verbrauchsrate verlangsamt. Das Eddington-Limit ist erreicht.
Die Eddington-Grenze ist der kritische Maximalwert der Strahlungsleistung und Leuchtkraft. Vom englischen Astrophysiker Arthur Eddington als Bedingung für das Gleichgewicht von Schub, Druck und Strahlung bewiesen. Zusätzliches Licht wird nach außen abgegeben, wodurch Druck auf das fallende Material ausgeübt und es verlangsamt wird. So kontraintuitiv es auch scheinen mag, Licht übt bei ausreichendem Licht tatsächlich Druck auf Objekte aus und entspricht einer erheblichen Leistung.
Wissenschaftler bilden einige überzeugende Modelle für solche Fragen bezüglich der Rolle der Schwarzen Löcher, aber es gibt keinen Konsens in dieser Frage. Wenn der Quasar ein einzigartiges Labor für die Studie ist, dann entwickeln sich das Schwarze Loch des Quasars und die Galaxie zusammen.
Das Licht eines Quasars kann auch verwendet werden, um das Universum auf andere Weise kennenzulernen. Die Helligkeit ermöglicht es Forschern, die intergalaktische Umgebung wie nie zuvor zu untersuchen. Das intergalaktische Medium ist die Verteilung von Gas und Staub zwischen Galaxien, die Wasserstoff, Helium und verschiedene Metalle enthalten (unter astrophysikalischen Bedingungen sind alle oben genannten Heliumelemente als "Metalle" bekannt). Das Licht eines Quasars muss lange genug wandern, bevor es die Erde erreicht. Wenn sich Licht durch Gas bewegt, dringen einige Wellenlängen des Lichts besser in das Gas ein als andere, und einige Elemente blockieren bestimmte Wellenlängen. Wenn die Forscher beispielsweise das Spektrum eines Objekts untersuchen und feststellen, dass einige Wellenlängen im Spektrum fehlen, können sie den Gasgehalt kennenlernen. Der Prozess wird jedoch schwieriger, insbesondere bei solch großen Entfernungen. Bei einem schwächeren Licht (Leistungsänderung) ist es schwieriger, zwischen diesen Lücken oder Linien im Spektrum zu unterscheiden.
Die Helligkeit des Quasars ermöglicht eine klarere Messung der intergalaktischen Umgebung. Nachdem man die Helligkeit des Quasars bestimmt hat, kann man die Frage beantworten: "Wie viel wiegt das Universum?" Da die Metalle im intergalaktischen Medium durch Zusammenführen der Sternekerne hergestellt wurden, können Messungen dieser Elemente den Forschern helfen, die Prozesse der Sternentstehung im Universum kennenzulernen.