Zerfall von Photonen nicht ausgeschlossen (Haben Photonen Ruhemasse?)

[Halman]

Durch Diskussionen in einem anderem Forum wurde ich darauf aufmerksam gemacht, dass Photonen über eine sehr geringe Ruhemasse verfügen könnten. Hierzu habe ich mal einen Artikel rausgesucht:

Gemäß dem heutigen Verständnis der elektromagnetischen Kraft ist das Photon, also das Lichtquant, masselos. Dies ist aber von der Theorie keinesfalls vorgeschrieben: Photonen könnten auch eine sehr kleine Masse haben und möglicherweise sogar in noch leichtere Teilchen zerfallen. Julian Heeck vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg untersuchte die kosmische Hintergrundstrahlung und fand heraus, dass die Daten mit der These von massebehafteten Photonen mit einer begrenzten Lebensdauer vereinbar sind.

[...]

Der Wissenschaftler kommt zu dem Ergebnis, dass die Lebensdauer von Photonen mit einer angenommenen Masse von 2 × 10^-54 Kilogramm mindestens drei Jahre betragen muss. Das klingt zwar nach kosmischen Maßstäben nach einer enorm kurzen Zeit, doch die Effekte der speziellen Relativitätstheorie führen dazu, dass ein Photon der kosmischen Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich aus unserer Sicht eine Lebensdauer von drei Billiarden Jahren aufweist. Mit unserer Beobachtung, dass die meisten Photonen offenbar noch nicht zerfallen sind, stimmt das überein.

Welt der Physik: Zerfall von Photonen nicht ausgeschlossen

Was haltet ihr davon?

Falls dem so wäre, dann würde sich Licht nicht auf lichtartigen Weltlinien bewegen, sondern auf zeitartigen Weltlinien und somit altern. Rüttelt dies nicht an vertrauten Aussagen der relativistischen Physik?

Btw. der Forist gab die Ruhemasse eines Gammaquant mit <10^-18 eV an und stützte sich auf folgendes PDF-Dokomuent: http://pdg.lbl.gov/2013/tables/rpp20...ggs-bosons.pdf

Dem möchte ich den Artikel über Photonen aus dem Astro-Lexikon gegenüberstellen:

Eigenschaften des Photons

Eine wichtige Eigenschaft des Photons ist, dass es Ruhemasse null hat und deshalb überhaupt die Lichtgeschwindigkeit c erreichen kann. ...

Mehr im Link unter dem Abschnitt "Eigenschaften des Photons": Andreas Müller - Lexikon der Astrophysik P 4

[Zeno-2]

Hmhm, im ersten Augenblick dachte ich: Glaub' ich nicht. Man ist ja schon immer darauf getrimmt worden, dass das Photon eine elektromagnetische Welle ist, und entsprechend gibt es die Modellvorstellungen, die man in Theophysik (so 3. Semester) vorgesetzt bekommt.

Andererseits hätte ich auch nicht gedacht, dass das Neutrino eine Ruhemasse hat und zwischen verschiedenen Phasen oszilliert. Und mit der "Erfindung" der dunklen Masse und der dunklen Energie löst man auch nicht wirklich Probleme.

Also, vielleicht sollte man umdenken. Interessant. Dann wären Konzepte wie der Schwarzschildradius, und möglicherweise der Gedanke der "Lichtgeschwindigkeite" an sich womöglich auch zu überdenken. Gibt es womöglich gar keine massenlosen Teilchen?

[Halman]

Hmhm, im ersten Augenblick dachte ich: Glaub' ich nicht.

Das geht mir noch immer so.

Man ist ja schon immer darauf getrimmt worden, dass das Photon eine elektromagnetische Welle ist, und entsprechend gibt es die Modellvorstellungen, die man in Theophysik (so 3. Semester) vorgesetzt bekommt.

Schön, ein für mich neuer Begriff. Was ist denn Theophysik?

Andererseits hätte ich auch nicht gedacht, dass das Neutrino eine Ruhemasse hat und zwischen verschiedenen Phasen oszilliert.

Natürlich könnte es sein, dass Photonen eine ähnliche Überraschung für uns parat haben, wie Neutrinos. Falls dem so ist, so wäre die Tragweite für die Physik nach meiner bescheidenen Einschätzung aber weitaus größer. Immerhin ist die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante und Photonen bewegen sich im Vakuum immer mit dieser Geschwindigkeit. Dies spricht nach meinem bescheidenem Verständnis eher für Teilchen, dessen Masse = 0 ist.

Und mit der "Erfindung" der dunklen Masse und der dunklen Energie löst man auch nicht wirklich Probleme.

Wieso? CDM und Λ sind doch plausible Erklärungen für die beobachteten Phänomene. (Aber vielleicht keine besonders eleganten.)

Also, vielleicht sollte man umdenken. Interessant. Dann wären Konzepte wie der Schwarzschildradius, und möglicherweise der Gedanke der "Lichtgeschwindigkeite" an sich womöglich auch zu überdenken. Gibt es womöglich gar keine massenlosen Teilchen?

Möglicherweise. Vielleicht wechselwirken ja alle Teilchen mit dem Higgsfeld.

[Agent Scullie]

Was haltet ihr davon?

es ist allgemein bekannt, dass man Messungen immer nur mit einer begrenzten Genauigkeit durchführen kann. Also kann auch nur mit begrenzter Genaugkeit überprüft werden, ob Photonen tatsächlich masselos sind oder eine geringe Masse haben. Von daher nichts besonders überraschendes.

Falls dem so wäre, dann würde sich Licht nicht auf lichtartigen Weltlinien bewegen, sondern auf zeitartigen Weltlinien und somit altern. Rüttelt dies nicht an vertrauten Aussagen der relativistischen Physik?

nicht wirklich. Photonen bewegen sich dann einfach nicht genau mit Lichtgeschwindigkeit, bzw. mit der Geschwindigkeit, die wir bislang immer Lichtgeschwindigkeit genannt haben. Für die Relativitätstheorie ist das nicht sonderlich gravierend. Die Kernaussage der SRT, dass es eine endliche Geschwindigkeit gibt, die in allen Bezugssystemen gleich groß ist, wird dadurch nicht in Frage gestellt - diese Geschwindigkeit ist dann halt ein klein wenig anders als die Geschwindigkeit, mit der sich Licht ausbreitet.

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Und mit der "Erfindung" der dunklen Masse und der dunklen Energie löst man auch nicht wirklich Probleme.

nicht? Warum nicht?

Also, vielleicht sollte man umdenken. Interessant. Dann wären Konzepte wie der Schwarzschildradius, und möglicherweise der Gedanke der "Lichtgeschwindigkeite" an sich womöglich auch zu überdenken.

warum sollte das Konzept des Schwarzschildradius dann zu überdenken sein? Photonen mit Masse sollten ein schwarzes Loch noch weniger verlassen können als masselose.

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Natürlich könnte es sein, dass Photonen eine ähnliche Überraschung für uns parat haben, wie Neutrinos. Falls dem so ist, so wäre die Tragweite für die Physik nach meiner bescheidenen Einschätzung aber weitaus größer. Immerhin ist die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante und Photonen bewegen sich im Vakuum immer mit dieser Geschwindigkeit.

gerade das würden sie, wenn sie eine Masse haben, ja eben doch nicht tun. Allerdings wäre die Abweichung von diesem Verhalten extrem klein - so klein, dass sie bislang nicht aufgefallen ist. Wenn sich ein Teilchen nur mit 99,9999999% von c bewegt statt mit genau 100%, ist es schon ziemlich schwierig, den Unterschied zu detektieren.

[Zeno-2]

TheoPhysik steht nur als abkürzung für theoretische Physik. Damals im Studium (echt lange her) muste mann sich mindestens durch 4 davon durchquälen: TheoMechanik, Quantenmechanik, Elektordynamik und (uff!) Thermodynamik.

Dunkle Energie und Dunkle Marterie: Ich stecke nicht zu detailliert da drin, aber soweit ich es verstehe wurden diese beiden Entitäten herangezogen, um die scheinbar fehlende Masse bzw. die sich zunehmende Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums zu erklären.

Soweit ich weiß, weiß ja aber niemand was denn nun eigentlich Dunkle Materie ist (dito Dunkle Energie). Man hat also jeweils ein bislang ungelöstest physikalisches Mysterium gegen ein anderes ausgetauscht.

Damit meine ich nicht, dass nicht irgendwann eine vollkommen physikalische Theorie dazu vorliegen könnte. Mir scheint nur, ähnlich wie zwischen dem 19. und dem 20. Jahrhundert, befinden wir uns gegenwärtig wieder in einer Phase der Unsicherheit, wo bislang gut gesicherte physikalische Modelle nicht mehr gut genug zu allen Beobachtungen passen.

Licht mit Ruhemasse, hm. Dann müsste es doch auch eine Temperatur haben. Und könnte man es bremsen?

[Agent Scullie]

Licht mit Ruhemasse, hm. Dann müsste es doch auch eine Temperatur haben.

na die hat es ja auch. Sogar wenn es keine Masse hat. Das war ja der Ausgangspunkt der Planckschen Lichtquantenhypothese: man betrachtete das elektromagnetische Strahlungsfeld als ein thermodynamisches System, das mit Materie in thermischem Kontakt steht - in der klassischen Theorie kam dabei das Rayleigh-Jeanssche Strahlungsgesetz heraus, wonach die spektrale Energiedichte mit steigender Frequenz immer höher würde, im offensichtlichen Gegensatz zur Beobachtung. Planck löste das Problem durch die Festlegung, dass elektromagnetische Strahlung quantisiert ist, das führte auf das Plancksche Strahlungsgesetz, demzufolge die spektrale Energiedichte bei hohen Frequenten wieder abnimmt.

Wie jedem anderen thermodynamischen System kann man dem Licht aber nur dann eine wohldefinierte Temperatur zuschreiben, wenn es annähernd im Gleichgewicht ist. Z.B. ist das von Sonne emittierte Licht fernab vom Gleichgewicht - es wird von der 6000 K heißen Sonnenoberfläche in den sehr viel kälteren Weltraum ausgestrahlt. Deswegen ist für das die Erde erreichende Sonnenlicht keine eindeutige Temperatur definiert.

Und könnte man es bremsen?

ja sicher. Allerdings müsste man, um einen messbaren Effekt zu erzielen, dazu die Energie jedes Photons in die Größenordnung der Photonenmasse absenken, also weniger als 10^-18 eV - dann würde es sich allerdings eher um langwelle Radiowellen handeln als um Licht.

[Halman]

TheoPhysik steht nur als abkürzung für theoretische Physik. Damals im Studium (echt lange her) muste mann sich mindestens durch 4 davon durchquälen: TheoMechanik, Quantenmechanik, Elektordynamik und (uff!) Thermodynamik.

Danke für die Erklärung.

Dunkle Energie und Dunkle Marterie: Ich stecke nicht zu detailliert da drin, aber soweit ich es verstehe wurden diese beiden Entitäten herangezogen, um die scheinbar fehlende Masse bzw. die sich zunehmende Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums zu erklären.

Soweit ich weiß, weiß ja aber niemand was denn nun eigentlich Dunkle Materie ist (dito Dunkle Energie). Man hat also jeweils ein bislang ungelöstest physikalisches Mysterium gegen ein anderes ausgetauscht.

Die beobachtbare Materie ist zu gering, um damit den gravitativen Zusammenhalt von rotierenden Galaxien zu erklären.

• Eine Möglichkeit wäre, davon auszugehen, dass Newtons Gravitationskonstante in großen galaktischen und intergalaktischen Maßstäben seine Gültigkeit verliert.
• Wahrscheinlicher erscheint die Möglichkeit, dass dort noch mehr Materie ist, als man sehen kann. Die unsichtbare Materie wird unter dem Begriff [kalte] Dunkle Materie (cold dark matter, kurz CDM) zusammengefasst.

Die Materie, aus der wir bestehen und die wir beobachten können, ist baryonische Materie. Baryonen sind Teilchen, die aus drei Quarks bestehen (dies ist bei Protonen und Neutronen der Fall).

Soweit ich weiß, lässt sich CDM in baryonische dunkle Materie und nicht-baryonische dunkle Materie unterteilen.
Unter baryonische Dunkle Materie fallen IHMO Braune Zwerge und möglicherweise kalte Gas- und Staubwolken.

Allerdings habe ich nicht den geringsten Schimmer, woraus nicht-baryonische dunkle Materie besteht. Vielleicht basiert sie auf Hadronen, deren Quarkzahl verschieden von der bayonischen ist. Ferner sollten auch Schwarze Löcher zur nicht-baryonischen dunkle Materie gehören, aber das wäre sozusagen nur der I-Punkt.

Neutrinos sind Kantidaten für heiße Dunkle Materie (HDM), allerdings dürften sie nur einen kleinen Teil der Dunklen Materie ausmachen.

Agent Scullie wird hierzu sicher mehr sagen können.


Die Dunkle Energie wurde eingeführt, um die beschleunigte Expansion des Universums erklären zu können, die gem. der Beobachtung von Supernovae Typ Ia (deren absolute Leuchtkraft bekannt ist) seit mind. 5 Mrd. Jahren vorliegt.

Albert Einstein dachte bereits über eine Kraft nach, welche der Gravitation entgegen wirkt und fügte im Jahre 1917 seiner ART-Gleichung die Kosmologische Konstante (Λ) hinzu. Er wollte damit ein statisches und ästhetisch schönes Universums erklären, welches ewig ist. Doch als Edwin P. Hubble die Rotverschiebung ferner Galaxien beobachtete, war diese Idee hinfällig und Einstein setzte seinen Λ-Term auf 0.
Doch im Jahre 1998 erinnerte man sich an Einsteins Konstante, als die Beobachutng der SN Typ Ia auf eine beschleunigte Expansion hinwies. Dafür musste es eine Ursache geben, eine unsichtbare Energie, die man Dunkle Energie nannte. Es ist nicht ganz sicher, ob diese wirklich konstant ist, doch erscheint dies m. W. wahrscheinlich.
Nach den neuesten Messungen der Weltraumsonde PLANCK liegt ihr Wert bei ΩΛ ≈ 0,683 (d.h. 68,3% des Universums besteht aus Dunkler Energie).

[Spocky]

nicht wirklich. Photonen bewegen sich dann einfach nicht genau mit Lichtgeschwindigkeit, bzw. mit der Geschwindigkeit, die wir bislang immer Lichtgeschwindigkeit genannt haben. Für die Relativitätstheorie ist das nicht sonderlich gravierend. Die Kernaussage der SRT, dass es eine endliche Geschwindigkeit gibt, die in allen Bezugssystemen gleich groß ist, wird dadurch nicht in Frage gestellt - diese Geschwindigkeit ist dann halt ein klein wenig anders als die Geschwindigkeit, mit der sich Licht ausbreitet.

Wenn ich das richtig deute, dann kann sich auch Information mit mehr als der "Licht"geschwindigkeit (oder sollten wir dann von Photonengeschwindigkeit reden?) ausbreiten, so lange der Informationsträger noch weniger Masse besitzt?

[Agent Scullie]

Wenn ich das richtig deute, dann kann sich auch Information mit mehr als der "Licht"geschwindigkeit (oder sollten wir dann von Photonengeschwindigkeit reden?) ausbreiten, so lange der Informationsträger noch weniger Masse besitzt?

im Prinzip ja, allerdings macht das keinen nennenswerten Unterschied: wenn Photonen eine Masse in der Größenordnung von 10^-18 eV oder darunter besitzen, so befinden sich die Photonen aller uns bekannten Strahlungsarten tief im ultrarelativistischen Regime, da ihre Energien weiter höher als 10^-18 eV liegen, d.h. sie bewegen sich mit 99,9999+% der Lichtgeschwindigkeit.

[irony]

Wenn die Ruhemasse eines Photons nicht Null ist, was ist dann mit der Polarisation bzw. Helizität? Masselose Bosonen haben nur zwei Spineinstellmöglichkeiten, die dritte (S = 0) ist unterdrückt. Würde sich das nicht auch ändern, und könnte man das nicht experimentell überprüfen?

[Zeno-2]

Was ist mit der Superposition?

Wie sieht es bei der Materie-Antimaterie Annihilation aus? Das Photon wäre nicht mehr sein eigenes Anti-Teilchen, sondern es müsste ein Anti-Photon geben. Wenn sich Photon und Anti-Photon treffen, zerstrahlen sie dann wieder zu massebehafteten Photonen?

[Agent Scullie]

Wie sieht es bei der Materie-Antimaterie Annihilation aus? Das Photon wäre nicht mehr sein eigenes Anti-Teilchen, sondern es müsste ein Anti-Photon geben.

die Eigenschaft des Photons, sein eigenes Antiteilchen zu sein, ist eigentlich unabhängig davon, ob seine Masse null ist oder nicht. Die hat eher damit zu tun, dass das elektromagnetische Feld ein rein reelles Feld ist, statt ein komplexwertiges: wenn man bei der Quantisierung eines komplexwertigen Feldes den Feldoperator konstruiert, treten je zwei Erzeuge- und Vernichteoperatoren auf, für die Teilchen und die Antiteilchen, bei einem reellwertigen Feld ist es jeweils nur einer, daher gibt es keine Antiteilchen. Das Z0-Boson z.B. ist auch sein eigenes Antiteilchen, trotz seiner hohen Masse.

[Halman]

Was ist mit der Superposition?

Auch massebeaftete Elektronen befinden sich im Zustand der Superposition. Sofern ich mich nicht sehr täusche, ist dies unabhängig von der Eigenschaft der Masse.

[julian apostata]

Gut, dass ich hier auch mal wieder vorbei schaue. Weil vor 8 Tagen hab ich genau zu dem Thema was beigesteuert.

Diskussion:Relativistisches Additionstheorem für Geschwindigkeiten ? Wikipedia

Ein Raumschiff (System K‘) bewegt sich relativ zum System der Sonne (System K) mit der Geschwindigkeit v. Das Raumschiff schießt parallel zur Flugrichtung einen Torpedo ab (Geschwindigkeit=u im Raumschiffsystem) . Über das Verhältnis E/E’ (Torpedoenergie im Sonnensystem)/(Torpedoenergie im Raumschiffsystem) lässt sich folgende Aussage treffen.

Lassen wir die Geschwindigkeit u gegen c konvergieren so haben wir
E/E’=wurzel[(c+v)/(c-v)] wenn u=positiv und E/E’=wurzel[(c-v)/(c+v)] wenn u=negativ, also genau das, was wir vom relativistischen Dopplereffekt erwarten.

Wollte man völlig korrekt vorgehen, so dürfte ich bei einer Photnenmasse m=0 gar nicht teilen. Auch durch Wurzel(1-u²/c²) teilen wäre verboten, wenn u=c wäre.

Haben aber Photonen eine geringe Masse und u wäre geringfügig langsamer als c, dann wäre Alles voll korrekt.

Oder sieht jemand trotzdem noch einen Fehler in der Rechnung?

[Halman]

julian apostata, schön, dass Du wieder hier bist. Mathematik ist zugegeben nicht gerade meine Stärke, daher bleibt mir nichts anderes Übrig, als mich der Physik aus qualitativer (naturphilophischer) Weise zu nähern.

Mein Verständnis beschränkt sich auf Folgendes: Theoretisch haben Photonen keine Masse. Sie haben lediglich einen Impuls. Die Energie eines Quants ergibt sich aus E=hν. Das planck'sche Wirkungsquantum (6,626 069 57 × 10^–34Js) stelle ich mir einfach als sehr kleine Zahl vor. Das griechische ν (ny) steht für die Frequenz. Da h eine Naturkonstante ist, ergibt sich somit die Energie eines Photons aus seiner Frequenz (sofern ich mich nicht irre, hat ein „blaues“ Photon etwa doppelt so viel Energie wie ein „rotes“ Photon.)

Da dies für Dich sicher zu ungenau ist, verweise ich auf den unteren Link (insbesondere dem unteren Abschnitt "Anmerkung zur Masse"):
Masse und Impuls der Photonen

Wie würde sich die Rechnung für den Fall ändern, wenn ein Gammaquant eine Ruhemasse
von <10^-18 e^V (= 2 × 10^-54 Kg) hätte?