Hoe ver kan men licht verdunnen.

[Michel Uphoff]

Een mogelijke kandidaat voor de "dark matter, of dark energy" misschien?

 
Dat lijkt mij erg sterk. Als er al fotonen bestaan met een dermate lage energie dat ze geen interactie meer aan kunnen gaan (wat de eigenlijke vraag is), dan zouden ze in onvoorstelbare hoeveelheden voor moeten komen om een merkbare invloed te hebben met die minieme energie-inhoud. Kijk je naar de energie-inhoud van het universum, dan beslaat de energie van alle em straling plus alle neutrino's in het LCDM model minder dan een honderdste procent van het totaal.
 
Ruwweg 23% (donkere materie) of 73% (donkere energie), dus ruim het leeuwendeel verklaren uit fotonen met een onmeetbare energie (als die al bestaan) lijkt mij dan zeer ver gezocht, ook omdat we bij mijn weten geen enkele verklaring zouden hebben voor het ontstaan van zulke energiearme fotonen, en al helemaal niet voor de fabelachtige hoeveelheden die we nodig zouden hebben willen hun gezamenlijke energie-inhoud iets meetbaars tot gevolg hebben. Los hiervan, donkere materie is duidelijk gelokaliseerd, en ik zie geen enkele reden waarom deze hypothetische té energie-arme fotonen zich zouden moeten groeperen.
 
Maar de vraag of er een ondergrens is waarbij een foton een dermate lange golflengte heeft dat de energie-inhoud ontoereikend is voor welke bekende/fysisch betekenisvolle interactie dan ook staat dus nog open. Bijvoorbeeld, een foton met een golflengte van een lichtjaar zou een energie hebben van ongeveer 10^-22 eV, zou zo'n foton nog een betekenisvolle interactie aan kunnen gaan? Iemand met een inzicht hierin?

[bobbejaan]

 
Dat lijkt mij erg sterk. Als er al fotonen bestaan met een dermate lage energie dat ze geen interactie meer aan kunnen gaan (wat de eigenlijke vraag is), dan zouden ze in onvoorstelbare hoeveelheden voor moeten komen om een merkbare invloed te hebben met die minieme energie-inhoud. Kijk je naar de energie-inhoud van het universum, dan beslaat de energie van alle em straling plus alle neutrino's in het LCDM model minder dan een honderdste procent van het totaal.

Het lijkt me dat fotonen altijd interactie via de zwaartekracht zullen blijven houden.
Zo niet, dan hebben we een heelal met een lek, want we raken dan de invloed van de massa en energie van die fotonen op het heelal kwijt.
In een verre verre toekomst met genoeg roodverschuiving zijn er dan helemaal geen fotonen meer, die nog invloed hebben op het heelal.
 
Overigens maakt u een denkfout door te refereren aan de meetbare energie van het heden.
Als er erg veel fotonen - op wat voor manier dan ook - niet meer meetbaar zijn, zou dat juist een reden voor die lage energie kunnen zijn.
Wat overigens niet zegt, dat u ongelijk hebt.
 
Een manier om fotonen met een lage energie te krijgen is de interactie met een zwaartekrachtveld, uit een ander topic.
Als een foton maar vaak genoeg zijn energie afdraagt doordat het een massa in beweging brengt, wordt de massa van een foton vanzelf klein.
Ook de roodverschuiving doet nog een duit in het zakje.
 
Of fotonen ook nog in kleiner fotonen kunnen opsplitsen zou ik niet durven zeggen, ik kan geen manier bedenken.
Misschien een dubbele spleet en twee glasvezelkabels daarachter.
Maar ik denk niet, dat het foton daarin zal trappen en hooguit interferentie heeft, met zichzelf als het eind van de glasvezelkabels dat toelaten, en we niet eerst stiekem kijken, maar anders komt het waarschijnlijk gewoon uit 1 van de twee kabels.
 
Op zich wel een interessante proef, want stel dat je aan het eind van die kabels weer een dubbele spleet zet met ieder kabel bij 1 spleet.
Zou je dan weer interferentie van twee half-echte fotonen krijgen, of gecombineerd met een reeel foton en interferentie van 1 1/2 foton?
 
Eigenlijk zou je het aantal fotonen over een frequentiebereik moeten meten.
Dat zou een indicatie kunnen geven of er onder het meetbare bereik ook nog fotonen bestaan en mogelijk zou je dan, door  de vorm van de grafiek in kunnen schatten of er veel, niet meer detecteerbare, fotonen zijn.

[Michel Uphoff]

Als een foton maar vaak genoeg zijn energie afdraagt doordat het een massa in beweging brengt, wordt de massa van een foton vanzelf klein.

 
Je vergeet dat het (zoals ik in dat topic aangaf) ook andersom kan zijn, en dat een massa dus ook een foton van meer energie kan voorzien. Een foton 'valt' eerst naar een gravitatiebron toe, en wordt blauwverschoven (meer energie) en na het passeren roodverschoven. Het netto resultaat kan afhankelijk van de exacte omstandigheden een af- of toename van de fotonenergie zijn (zoals ik aangaf maakt de interplanetaire ruimtevaart van beide effecten gebruik). Gemiddeld stelt de gravitationele roodverschuiving waarbij een foton zich uit de gravitatieput van een min of meer normale ster omhoog werkt weinig tot niets voor vergeleken met de kosmologische roodverschuiving:
 

Ook de roodverschuiving doet nog een duit in het zakje.

 
Je kan het beter zo zien: Dat zakje zit vol van de kosmologische roodverschuiving. Sedert de tijd dat het heelal transparant voor licht werd, toen zo'n 380.000 jaar na de oerknal het heelal afgekoeld was tot 3000 K, is de schaalfactor 1100 keer groter geworden, en dientengevolge is de gemiddelde golflengte van fotonen met dezelfde factor toegenomen c.q. de energie is met een factor 1100 verlaagd. Eventuele gravitationele roodverschuiving valt hierbij vrijwel in het niet.
 
Wil je er wat meer over lezen, c.q. berekenen: klik

[bobbejaan]

 
Je vergeet dat het (zoals ik in dat topic aangaf) ook andersom kan zijn, en dat een massa dus ook een foton van meer energie kan voorzien. Een foton 'valt' eerst naar een gravitatiebron toe, en wordt blauwverschoven (meer energie) en na het passeren roodverschoven. Het netto resultaat kan afhankelijk van de exacte omstandigheden een af- of toename van de fotonenergie zijn (zoals ik aangaf maakt de interplanetaire ruimtevaart van beide effecten gebruik). Gemiddeld stelt de gravitationele roodverschuiving waarbij een foton zich uit de gravitatieput van een min of meer normale ster omhoog werkt weinig tot niets voor vergeleken met de kosmologische roodverschuiving:
 
 

Stel dat een foton richting een massa (stilstaand vanuit ons gezichtspunt) valt, en daar door uit zijn baan wordt getrokken.
Stel om het simpel te houden, dat die baan zo is dat het foton via een u-bocht weer terugvliegt in de richting waarvan het vandaan kwam.
Volgens de wet van behoud van impuls zal de massa vervolgens een beweging moeten hebben in de oorspronkelijk richting van het foton.
Het foton is dus energie kwijtgeaakt aan de massa.
Min of meer gelijk aan de situatie dat het foton van een spiegel zou zijn teruggekaatst.
Alleen een stuk ingewikkelder, omdat het foton in zijn baan in alle richtingen aan die massa heeft getrokken.
Dat zal gebeuren bij ieder zwaartekrachtveld dat een foton uit zijn baan trekt.
 
Het foton zal naar mijn mening altijd energie verliezen, omdat niet om de wet van behoud van impuls heen kunt.
De verandering van de snelheid van de massa, zal altijd door het foton moeten worden geleverd, want er is niets anders, dat energie kan leveren.
 
Bij de ruimteslinger in de ruimtevaart wordt de energie geleverd door de planeten.
Die zullen wat sneller, of langzamer om de zon gaan draaien.

[bobbejaan]

 
Gemiddeld stelt de gravitationele roodverschuiving waarbij een foton zich uit de gravitatieput van een min of meer normale ster omhoog werkt weinig tot niets voor vergeleken met de kosmologische roodverschuiving:

 
Toen ik het had over de gravitatieput, bedoelde ik iets anders.
Kort na de oerknal was het heelal kleiner en zat alle massa dichter op elkaar.
Het zwaartekrachtveld van de gezamelijke massa in het heelal was dus veel geconcentreerder, dan tegenwoordig.
Normaal gesproken, moet je (als foton) energie afgeven, om uit een zwaartekrachtveld te geraken.(ofwel het foton is onderhevig aan roodverschuiving)
In het geval van een uitzettend heelal, ligt de situatie anders.
Het zwaartekrachtveld waarin het foton zich bevindt verzwakt.
Wie daarvan vervolgens de rekening betaalt is me niet duidelijk.
Je zou kunnen veronderstellen, dat het foton door het uitzetten van het heelal energie moet inleveren, net als bij vertrek uit de buurt van een massa.
Aan de andere kant begeeft het zich niet van een plek met een sterk zwaartekrachtveld, naar een plek met een zwak zwaartekrachtveld.
Het hele veld verandert.

[Michel Uphoff]

Het foton zal naar mijn mening altijd energie verliezen

 

Dat is niet correct, er kan zowel energie gewonnen als verloren worden, afhankelijk van de situatie. Als jij gelijk zou hebben was interplanetaire ruimtevaart zo goed als onmogelijk. Daar wordt heel vaak gebruik gemaakt van gravitatie om een sonde een hogere snelheid te geven (ten koste van een beetje impuls van een planeet onderweg). De wet van behoud van energie en impuls geldt inderdaad, maar dat is niet alleen voor het foton, maar ook voor de ster het geval. Verdiep je eens wat in de zwaartekrachtsslinger, ook wel gravity assist (klik) genoemd.

[bobbejaan]

 

Dat is niet correct, er kan zowel energie gewonnen als verloren worden, afhankelijk van de situatie. Als jij gelijk zou hebben was interplanetaire ruimtevaart zo goed als onmogelijk. Daar wordt heel vaak gebruik gemaakt van gravitatie om een sonde een hogere snelheid te geven (ten koste van een beetje impuls van een planeet onderweg). De wet van behoud van energie en impuls geldt inderdaad, maar dat is niet alleen voor het foton, maar ook voor de ster het geval. Verdiep je eens wat in de zwaartekrachtsslinger, ook wel gravity assist (klik) genoemd.

Ik ga me in de zwaartekrachtslinger verdiepen.
Ik weet wel ongeveer hoe dat werkt, maar niet in detail.
De situatie van het foton met de planeet is echter volstrekt anders, dan die van de zwaartekrachtslinger.
Het foton zal in eerste instantie wat blauwverschuiving kennen, op het moment dat het de planeet nadert en wat roodverschuiving als het bij de planeet vandaan vliegt.
 
Wat het foton echter bij iedere ontmoeting doet is de planeet in beweging zetten (uit het gezichtspunt van een waarnemer die geen beweging had ten opzichte van de massa).
De planeet is vanuit stilstand in beweging gekomen (onvermijdelijk, vanwege de wet van behoud van impuls).
Die energie moet ergens vandaan zijn gekomen.
Dat kan alleen maar van het foton zijn gekomen, want meer spelers zijn er niet in het veld.
 
Zou u 1 theoretische baan voor het foton kunnen bedenken, waarbij het foton energie wint?
In het theoretische geval dat het foton na de ontmoeting weer in dezelfde richting verder zou gaan, zou het op zijn best geen energie verloren hebben, en zou de planeet net zo onbeweeglijk zijn ten opzichte van de waarnemer, als voor de ontmoeting.

[Michel Uphoff]

Zou u 1 theoretische baan voor het foton kunnen bedenken, waarbij het foton energie wint?

 
Zie de animaties in het aangehaalde Wikipedia artikel, die gelden ook voor fotonen. Hier wat toelichting:
 
Als een deeltje met een rustmassa een bewegende massa (planeet) 'inhaalt' en afbuigt, dan schrijft de wet van behoud van impuls voor dat dat deeltje een hogere snelheid krijgt en dientengevolge de planeet een minuscule vertraging ondergaat. Je kan dit berekenen vanuit behoud van energie of vanuit behoud van impuls.
 
Een voorbeeld uit de biljartwereld. Als ik een (heel) lichte bal afschiet op een (heel) zware bal, dan zal vanuit het referentieframe van beide ballen gezien de onderlinge snelheid voor, en na de botsing gelijk moeten blijven (alleen de vector keert om). We veronderstellen immers een volkomen elastische botsing. Nu hebben we drie situaties op onze biljarttafel, de waarnemer is in rust t.o.v. de tafel:
 
1: De zware bal ligt aanvankelijk stil op de tafel/voor de waarnemer. De lichte bal nadert met snelheid v1 (ten opzichte van de zware bal én de tafel), botst, en kaatst terug. De zware bal zal hierdoor langzaam achterwaarts gaan rollen. Tussen de zware en lichte bal moet de snelheid v1 blijven, en dus kaatst de lichte bal terug met een lagere snelheid. t.o.v. de tafel en waarnemer.
2: De zware bal rolt voor de botsing al naar achteren op de tafel. Na de botsing zal de zware bal nog wat sneller naar achteren rollen. v1 tussen beide ballen moet voor en na botsing gelijk blijven, en dus zal de lichte bal t.o.v. de tafel nog langzamer dan in situatie 1 terugkaatsen.
3: De zware bal rolt al naar de kleine bal toe voordat deze weggestoten wordt. Ook hier zal v1 voor en na de botsing tussen beide ballen gelijk moeten blijven. Na de botsing rolt de zware bal nog steeds naar ons toe, zij het iets trager. De lichte bal echter komt met een grotere retoursnelheid t.o.v. de tafel terug.
 
Dit is allemaal eenvoudig te controleren op juistheid bij correcte toepassing van de behoudswetten.
 
Van een vergelijkbaar fenomeen wordt, zoals gezegd in de interplanetaire ruimtevaart veelvuldig gebruik gemaakt. Zonder deze gravity assists is een reis naar de buitenplaneten op dit moment vaak niet eens mogelijk. De gebruikte stuwraketten hebben te weinig vermogen om de vereiste aanvangssnelheid te geven, en dus wordt via een aantal 'slingshots' vaak via de Aarde, Mars en voor verre reizen zoals New Horizons naar Pluto ook via Jupiter extra snelheid gegenereerd. In dit specifieke geval won New Horizons, meegetrokken door de baansnelheid van Jupiter, 4 kilometer per seconde bij de passage (en verloor Jupiter een onmeetbaar kleine hoeveelheid baanenergie). Een ander mooi voorbeeld is de reis van de Gallileo probe naar Jupiter, zie deze internetpagina.
 
Een foton heeft natuurlijk geen rustmassa, maar wint of verliest in deze situaties wel degelijk energie/impuls. Omdat de snelheid van het foton echter altijd c is, moet dus de energie-inhoud / frequentie wijzigen, en zal het foton c.q. bij situatie 1 en 2 rood- en bij situatie 3 blauwverschoven worden.
Een u-bocht is natuurlijk niet zo realistisch bij een foton, dat kan in theorie alleen maar vrijwel op de waarnemingshorizon van een zwart gat gebeuren. Maar ook meer realistische veel flauwere bochten veroorzaakt door sterren en dergelijke, kunnen dus een rood- of blauwverschuiving veroorzaken.
 
Het is inderdaad de wet van behoud van impuls (of energie), maar je zal voor een correct inzicht dus niet alleen naar het foton moeten kijken maar ook naar de ster, beiden wisselen energie uit. Raakt een foton bij een passage voor een waarnemer blauwverschoven dan moet de ster voor dezelfde waarnemer een onmeetbaar beetje baanenergie zijn verloren, en bij roodverschuiving kan het niet anders zijn dan dat de ster eenzelfde onmeetbare hoeveelheid baanenergie t.o.v. de waarnemer wint.
 
De realiteit van heelal en de er door reizende fotonen is echter dat deze gravitationele rood c.q. blauwverschuiving van fotonen alleen significant is bij zware gaten (quasarlicht) en wellicht bij een incidentele zeer nauwe passage van een neutronenster. Een zeer plaatselijk fenomeen waaraan een zeer klein deel van de fotonen deelneemt. De kosmologische roodverschuiving is zoals gezegd (lees het artikel waar ik naar linkte nog eens door) met een factor 1100 sedert de ontkoppeling van elektromagnetische straling 380.000 jaar na de oerknal van een totaal andere orde en die geldt natuurlijk voor alle fotonen.

[bobbejaan]

Ik ga gedeeltelijk met uw redenering over de biljartballen mee.
Ik heb de situatie bekeken vanuit de biljartbal en u vanuit de situatie van de biljarttafel.
 
Vanuit de biljartbal gezien, zal hij altijd energie ontvangen, maar gezien vanuit de biljarttafel niet.
Als ik dus van links een foton aan zie komen en van rechts een biljartbal, zal de biljartbal bij een frontale botsing bijna altijd wat energie verliezen gezien vanuit mijn standpunt.
Behalve dan, als de snelheid van de biljartbal ten opzichte van mij zo laag is, dat hij na die frontale botsing in de oorsronkelijke richting van het foton terugvliegt.
Maar dan hebben we uiteraard mijn eerste voorbeeld weer terug.
Waarom twee waarnemers met verschillende snelheden ten opzichte van de biljartbal verschillende conclusies trekken, ontgaat me op dit moment nog even.
Waarschijnlijk, omdat het winnen, of verliezen blijkbaar gerelateerd is aan het referentiekader van de waarnemer, maar dat is me nog niet duidelijk.
Maar hoe kun je in het algemeen dan nog een winnaar of verliezer van energie aanwijzen bij een interactie tussen een foton en een biljartbal?
 
Zou de conclusie dan moeten worden, dat bij een interactie van een foton en een biljartbal nooit energie kan worden uitgewisseld, (wel bijvoorbeeld door vervorming, die in warmte wordt omgezet) omdat er geen absoluut referentiekader bestaat, om dat te kunnen meten?
Iedere waarnemer met met verschillende snelheid en richting  ten opzichte van de biljartbal zal immers een andere conclusie trekken.