(virtuele)fotonen en zwaartekracht

[jdkees]

Hallo allemaal.

Ik heb een paar vragen over fotonen en de zwaartekracht.

Hebben fotonen massa??(Ze hebben in ieder geval geen rust massa)

Hoe komt het dat de zwaartekracht licht kan afbuigen terwijl ze geen massa hebben? (Komt dit doordat elk deeltje een zwaartekracht deeltje heeft, dus fotonen ook)

Hoe komt het dat elektronen, virtuele fotonen kan uitstralen.(dit heeft denk ik te maken met het onzekerheids principe)

Als een elektron een virtueel foton kan uitstralen, verdwijnt het foton dat ook (op een gegeven moment)in het "niets"

Hoe kan een virtueel foton in een reeel foton veranderen.?

groeten, Kees

[Rob H]

Fotonen worden door de zwaartekracht beïnvloed omdat zwaartekracht een vervorming is van de ruimte-tijd (dat veroorzaakt wordt door massa) en fotonen zich door de ruimte-tijd bewegen.

De rest van je vragen kan ik helaas (nog) niet beantwoorden.

[carbon]

Heeft de afbuiging ook niet te maken met het feit dat fotonen desondanks momentum hebben (ze hebben tenslotte een snelheid) en dat (zwaarte)kracht eigenlijk een verandering van momentum teweegbrengt (een afbuiging is een versnelling).

Nu, ik ben niet zeker.

[eendavid]

Daar heeft het in feite niets mee te maken. Een foton beweegt, net als elk deeltje, op een geodeet. De eigenschappen van een geodeet zijn zuiver geometrisch van aard en steunen niet op het al dan niet energie hebben van het deeltje. Dat beantwoordt meteen de eerste vraag van het topic: fotonen hebben geen massa, die gedefinieerd is als de rustmassa. De energie van de fotonen is uiteraard verschillend van 0 (vroeger definieerde men deze snelheidsafhankelijke grootheid wel eens als massa, maar daar is men van afgestapt).

Ik moet overigens toegeven niet goed te weten wat aan te vangen met dit topic. Ten eerste kan heel wat info over de vragen gevonden worden via google en wikipedia. Ten tweede lijkt het meer op wat losse flodders dan een consistent topic. Sommige vragen behoren tussen in het relativiteitsforum

[carbon]

ja, sorry, ik had het met iets anders verwisseld -- should've said nothing, stom van mij

[eendavid]

Niet echt een probleem toch?

Voel je vooral niet tegengehouden om te reageren, wat er ook gebeurt is er iemand die er iets van leert.

[atanhel]

De Generaal Relativistische andwoorden zijn geheel correct (ergo: geen reden daar nog op in the gaan)

De andere drie kan ik echter well beandwoorden:

1) Een 'virtueel' foton is een foton met een longitudinale impuls.



Ter verduidelijking: Een foton heeft een spin van 1 (in de mini cursus wordt verklaart wat spin is)

en de mogelijke spin toestanden van het foton (de foton ... daar kom ik nog op terug) zijn dus:

-1, 0 en 1, 3 mogelijkheden dus.

Maar aangezien een foton met de lichtsnelheid gaat (c, vanaf nu gelijk aan 1), kun je nooit een referentie kader vinden

waar zijn impuls gelijk is aan 0 (rest frame, waar hij een massa heeft), en dus is een longitudinale impuls

(een spin in de righting waar het foton heen gaat) niet waar te nemen (omdat je hem nooit stil kunt zetten

om te meten)... en dus 'bestaat ze niet'.

(er valt te speculeren dat ze wel bestaan kan, maar niet waarneembaar is... wat dus in essentie hetzelfde is)

Nu een virtueel foton is een foton met een logitudinale impuls... en dus niet echt (maar hij kan voor een korte tijd t bestaan,

als Heisenberg maar niet geschoden wordt). Dit betekend dat hij foton still staat.

Een electron zo ene foton dus uitzenden, omdat het geen verandering van quantum getallen vergt.

{je had dus gelijk, dit is dankzij het onzekerheids princiepe}

2) Een virtueel foton schent de natuur

Daarom moet het vervallen binnen een bepaalde tijd (die de Heisenberg relatie je geeft).

* Hierna zal het of worden opgenomen door een geladen deeltje (zoals een electron):

In dit geval kan het hetzelfde electron zijn, dan gebeurt er niets.

Het kan een ander electron (of negatief geladen deeltje) zijn, dan worden ze van elkaar weg geduwt.

Of het kan een positief geladen deetje zijn (zoals een proton), in welk geval ze naar elkara worden toe getrokken.

* Het kan ook zijn, dat, als een foton genoeg energie heeft, deze vervalt in een electron positron paar.

(de energie van dat foton moet dan gelijk zijn aan ten minste de rust massa van het paar).

Dit zie je terug in vacuum polarisaties, waar een foton uit het vacuum verschijnt, in zo een paar veranderd,

dat een effect heeft op de ladingsdichtheid in dat stuk ruimte.

Maar om kort te zijn: het foton verdwijnt nooit in het niets, maar het verdwijnt wel.

3) Een virtueel foton is en blijft een schending van de natuurwetten.

En daraom kan het nooit reel worden.

Ter verduidleijking: een reel foton is dus een foton met een transversale impuls,

maar er is geen manier waarop een foton kan intrageren (reageren met een ander deeltje)

zonder geapsobeerd te worden (er is geen dubbele foton interactie vertex).

Dus het korte andwoord: nooit.

Hopelijk helpt dit een beetje?

Als je meer vragen hebt over onduidelijke uitleg of wat dan ook, schroom niet het te vragen

(ik sta er om bekend soms wat te snel te gaan )

Cheers,

Atanhel

PS: Sorry voor een wat belabberde spelling, maar hier in CERN doen ze niet aan nederlands spellings controle.

PPS: Er is op de laatste vraag een uitzondering: een vertex uit sQED (scalaire quantum electro dynamica, waar een geladen deeltje vervalt in

2 fotonen en een geladen deetje, maar de enige manier die ik kan bedenken om een inkomend foton zijn spin te doen veranderen is

ten minste een 1 loep diagram, en dus onderdrukt... maar ik zal er nog eens naar kijken )

[eendavid]

Bedankt voor je antwoorden. Met betrekking tot de vraag: 'Kan een reëel foton een virtueel foton worden?' weet ik niet zeker of iedereen het eens is (of het over hetzelfde heeft). Zonder interacties zal dat natuurlijk niet lukken, met interacties kan je van een virtueel foton 2 reële fotonen maken, of 1 reëel foton en 2 reële elektronen. Een voorbeeld wordt gegeven in zie onderstaande tekening. Dan krijg je inderdaad een 1 loop diagramma (dus onderdrukt t.ov. de creatie van 2 reële elektronen, maar niet onmogelijk).

illustr_realfot 963 keer bekeken

Precies 1 virtueel foton zal inderdaad niet lukken (tenzij in een e.m. veld, maar ik bedoel als we dat niet meetellen), zoals atanhel zei, omdat onmogelijk plots wel aan E=pc kan voldaan zijn.

edit: de laagste orde term bevat als ik het goed heb slechts 1 vertex meer dan het 2-elektron proces. (het rechtse elektron uit het eerste foton is hierbij virtueel).

illustr_realfot2 959 keer bekeken

[ajw]

Het blijft intrigerend, die virtuele deeltjes

1) Een 'virtueel' foton is een foton met een longitudinale impuls.

....

(er valt te speculeren dat ze wel bestaan kan, maar niet waarneembaar is... wat dus in essentie hetzelfde is)

Wanneer deze impuls niet waarneembaar is, hoe weet men dan dat een virtueel foton deze longitudinale impuls heeft?

2) Een virtueel foton schent de natuur

Daarom moet het vervallen binnen een bepaalde tijd (die de Heisenberg relatie je geeft).

Wanneer van twee magneten op 100 lichtjaar dezelfde polen naar elkaar worden gedraaid dan moeten de virtuele fotonen toch 100 lichtjaar overbruggen om de afstotende kracht over te brengen? Daarmee zouden ze evenlang bestaan als 'gewone' fotonen.

[atanhel]

"Hoe weet men dan dat een foton een longitudinale impuls heeft?"

Net als een electron 2 spin toestanden heeft (up en down, of +1/2 en -1/2), omdat hij Spin 1/2 heeft,

zo heeft een foton 3 spin toestanden (+1, 0 en -1) omdat het spin 1 heeft.

Echter zien we in de natuur er maar 2, de +1 en de -1, dus er is iets met de 0.

De 0 kan niet. Als je het wiskundig, me de Lorenz transformaties gaat bekijken,

zou de 0 toestand de natuurwetten schenden, dus kan ze niet bestaan.

Maar in de QM mag de voor een korte tijd de wetten schenden, en dus kan

dit virtueel foton bestaan, al kunnen we haar inderdaad nooit direct waarnemen.

"Wanneer van twee magneten op 100 lichtjaar dezelfde polen naar elkaar worden gedraaid dan moeten de virtuele fotonen toch 100 lichtjaar overbruggen om de afstotende kracht over te brengen? Daarmee zouden ze evenlang bestaan als 'gewone' fotonen"

Laten we het over twee ladingen met een electrisch veld hebben, das makkelijker

Niet geheel waar. Een gewone foton heeft een halfwaarde tijd van oneindig (dus in een lege ruimte vervalt hij nooit),

maar een virtueel foton heeft een halfwaarde tijd gerelateerd aan zijn energie, immers:

Δ E Δ t h/(4 )

Dus Δ E h/(4 Δ t)

en als Δ t 100 jaar is (100 lichtjaar is in tijd voor een virueel foton 100 jaar)

en dus 31*10^9 sec, dan wordt de energie dus wel heel klein.

En hoe kleiner de energie, hoe kleiner de electrische kracht,

en dus hebben twee electronen 100 lichjaar afstand bijna geen effect op elkaar.

Als respons op eendavid:

De eerste doelde ik inderdaad op (heeft trouwens nog een redelijke bijdrage

voor een 1 loop diagram) en chapeau voor de tweede,

daar was ik niet opgekomen

[ajw]

Laten we het over twee ladingen met een electrisch veld hebben, das makkelijker

Niet geheel waar. Een gewone foton heeft een halfwaarde tijd van oneindig (dus in een lege ruimte vervalt hij nooit),

maar een virtueel foton heeft een halfwaarde tijd gerelateerd aan zijn energie, immers:

Δ E Δ t h/(4 )

Dus Δ E h/(4 Δ t)

en als Δ t 100 jaar is (100 lichtjaar is in tijd voor een virueel foton 100 jaar)

en dus 31*10^9 sec, dan wordt de energie dus wel heel klein.

En hoe kleiner de energie, hoe kleiner de electrische kracht,

en dus hebben twee electronen 100 lichjaar afstand bijna geen effect op elkaar.

Je redenatie en afleiding van de halfwaardetijd is mij niet geheel duidelijk. De bovengenoemde formule lijkt mij aan te geven dat de energie gelijk of groter moet zijn dan h/(4 Δ t). Dus de energie wordt (op grond van deze formulier) niet perse kleiner bij een grotere Δ t.

Bedoel je hiermee ook dat door het vervallen van virtuele fotonen de wet van Coulomb niet opgaat voor grote afstanden?

[Rudeoffline]

Ik vind, als je het over virtuele deeltjes hebt, het gebruik van de relatie dE*dt>... altijd erg dubieus. Ten eerste is het mij

nooit helemaal duidelijk geweest hoe dit wordt toegepast. Ten tweede is het onzekerheidsprincipe een relatie tussen operatoren, en de QM heeft geen tijdsoperator. Je leest wel es dat je relativistisch een dergelijke relatie tussen E en t verwacht, omdat deze de 0-componenten zijn van de operatoren x en p, maar ik blijf het dubieus vinden. Griffiths geeft geloof ik een afleiding van dat dt de tijd is dat de energie dE 1 standaarddeviatie verandert.

Als je de quantumveldentheorie bekijkt, zie je dat in de interactietermen er geintegreerd wordt over alle mogelijke momenta, en dat de "on-shell" termen ( die dus aan de bewegingsvergelijkingen voldoen ) het meeste bijdragen. Dat is in mijn ogen de interpretatie van een virtueel deeltje. Het zijn deeltjestoestanden die tevoorschijn komen als je bijvoorbeeld het elektromagnetische veld quantiseert.

De virtuele deeltjes die het vacuum instabiel maken hoef je ook niet met dE*dt>... te rechtvaardigen. Het zijn simpelweg vacuumtermen die in je padintegraal tevoorschijn komen als je een interactie doorrekent. Wat niet gek is; het hele quantumveldenformalisme is onder andere opgesteld zodanig dat het aantal deeltjes niet behouden is ( de operator N die het aantal deeltjes telt commuteert niet met de Hamiltoniaan H )

[ajw]

Ik vind, als je het over virtuele deeltjes hebt, het gebruik van de relatie dE*dt>... altijd erg dubieus. Ten eerste is het mij

nooit helemaal duidelijk geweest hoe dit wordt toegepast. Ten tweede is het onzekerheidsprincipe een relatie tussen operatoren, en de QM heeft geen tijdsoperator. Je leest wel es dat je relativistisch een dergelijke relatie tussen E en t verwacht, omdat deze de 0-componenten zijn van de operatoren x en p, maar ik blijf het dubieus vinden. Griffiths geeft geloof ik een afleiding van dat dt de tijd is dat de energie dE 1 standaarddeviatie verandert.

Volgens

Als je de quantumveldentheorie bekijkt, zie je dat in de interactietermen er geintegreerd wordt over alle mogelijke momenta, en dat de "on-shell" termen ( die dus aan de bewegingsvergelijkingen voldoen ) het meeste bijdragen. Dat is in mijn ogen de interpretatie van een virtueel deeltje. Het zijn deeltjestoestanden die tevoorschijn komen als je bijvoorbeeld het elektromagnetische veld quantiseert.

Zijn virtuele fotonen echt veel virtueler dan reele fotonen?

- De viruele fotonen van een (statisch) electrische veld zijn detecteerbaar door middel van een proeflading (virtuele deeltjes zijn niet detecteerbaar).

- Zoals eerder aangegeven is de 'verdunningsfactior' volgens Coulomb net als bij reele fotonen 1/r². Bij een verval van virtuele fotonen zou deze relatie anders liggen.

[Rudeoffline]

"Virtueel" betekent, volgens mij, dat ze niet aan de gebruikelijke energievoorwaarde voldoen. Dus in plaats van dat je aanneemt dat voor een virtueel deeltje \(E^{2} = m^{2}+p^{2}\), integreer je in de propagator over alle mogelijke impulsen p. Het deeltje heeft dus geen goed gedefinieerde energie of impuls. Bijgevolg kun je het niet rechtstreeks meten. Alleen de gevolgen ervan kun je meten.

[ajw]

Bijgevolg kun je het niet rechtstreeks meten. Alleen de gevolgen ervan kun je meten.

Ik begrijp waar je heen wilt, maar wat bedoel je precies met rechtstreeks? Je meet de energie van een reel foton ook aan de hand van de gevolgen op iets anders.