Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 27 dotazů obsahujících »fotonů«
9) Gravitační pole a gravitony
14. 01. 2004
Dotaz: Elektromagnetické pole se vždy vlní. Toto pole má navíc vždy duální charakter,
tzn. vlnění + fotony. Co víme o gravitačním poli? Vlní se také jako
elektromagnetické pole a má také duální charakter? Nakonec bych se ještě rád
zeptal, zda existují nějaké paralelní teorie elektromagnetického pole, které by
nepoužívaly slova "duální charakter"? (Tomáš Trojan)
Odpověď: Z Einsteinovy obecné teorie relativity plyne existence gravitačních vln.
Jejich povaha je ale hodně odlišná od elektromagnetických. Jeden ze
zásadních rozdílů je ten, že rovnice popisující gravitační pole jsou
nelineární.
Nicméně v jisté aproximaci fungující pro slabá pole lze gravitační vlny
považovat za poruchy na plochém (nezakřiveném) prostoru, které se chovají
lineárně. V této linearizované teorii skutečně existuje přímá analogie
fotonů, které se říká graviton. Kvantovat nelineární gravitační pole ale
zatím uspokojivě nikdo neumí, ostatně skloubení obecné relativity a
kvantové teorie pole je již delší dobu jednen z klíčových problémů
fundamentální fyziky vůbec (viz např. J. D. Barrow: Teorie všeho nebo
S. Weinberg: Snění o finální teorii).
Ke druhé části otázky. Klasická elektrodynamika o kvantování pole (tj.
ani o fotonech) nic neví. Proto s ní také nelze vysvětlit jevy, ve kterých
se tato vlastnost pole projevuje. Fotony se objevují až v kvantové
elektrodynamice a není mi známa žádná snaha tuto teorii přeformulovat tak,
aby v ní byla nějak přímo obsažena klasická teorie. Zmíněná dualita není ani
tak vlastnosti teorie, jako spíše naší interpretace související s tím,
kterou teorii k popisu konkrétních jevů používáme.
Dotaz: Světlo má duální charakter - jeho nositelem je jak foton, tak elektromagnetické záření. Vlnová dálka el.mag. záření které považujeme za viditelné světlo, se pohybuje v rozmezí 700nm - 400nm. Rád bych se zeptal:
1) pokud bych dokázal vysílat na frekvenci o vlnové délce řekněme 500nm, svítila by anténa vysílače?
2) pokud ano, kde by se vzaly fotony? Vždyť jen vysílám el.mag. záření.
3) existuje foton i pro el.mag. záření které má nižší nebo vyšší vlnovou délku než viditelné světlo a to i třeba o několik řádů?
Děkuji (Tomáš Trojan)
Odpověď: 1) Pokud bys takový vysílač dokázal sestrojit, tak by zcela jistě svítil.
Problém je v tom, že nikdo takovou anténu vyrobit neumí, a to zejména
proto, že vlnová délka vysílaného záření odpovídá rozměrům vysílače.
2) Otázka "kde se v el.-mag. vlnění vezmou fotony" je zcela přirozená ale
nikdo na ní neumí uspokojivě a jasně odpovědět. Jde o pochopení toho,
čemu říkáme vlnově-částicová dualita. Bohužel (či bohudík?) pravda je
taková, že názornou představu opírající se o nějakou běžnou zkušenost si v
tomto případě udělat nejspíš nelze. Fyzikové se s tímto vyrovnávají
většinou tak, že připustí, že elektromagnetické záření se může projevovat
jako vlnění i jako tok energetických kvant (fotonů). V některých situacích
(např. při interferneci či ohybu) se projeví vlnové vlastnosti, v jiných
(fotoefekt) zase částicové. Na otázku, zda je to teď zrovna vlna nebo
částice, také odpovedět nelze. Záření má totiž obě vlastnosti současně a
je to pouze naše interpretace, že ho jednou vidíme jako vlnu a jindy jako
částice.
3) Fotony pochopitelně existují pro záření všech vlnových délek.
Pochopitelně proto, že teorie, která by tak fundamentální věc jako
kvantování el.-mag. vln připouštěla jen pro nějaký konkrétní interval
vlnových délek, by byla přinejmenším podivná. Viditelné světlo se od
el.-mag. záření jiných vlnových délek skutečně ničím neliší.
Energie jednoho fotonu závisí na vlnové délce (určitě znáš vzorec E = hf =
hc/λ). Čili čím kratší vlnová délka, tím energičtější (říká se
také tvrdší) fotony. Takové fotony se budou projevovat velmi znatelně.
Naproti tomu fotony odpovídající např. rádiovým vlnám budou tak měkké, že
jen obtížně vymyslíme nějaký experiment, při kterém se "částicovost"
záření projeví. Můžeš si snadno spočítat jejich energii a porovnat jí
třeba s typickou energií chemických reakcí na jednu molekulu.
Dotaz: 1.Žádné hmotné těleso se nemůže pohybovat rychlostí světla. Jaká je tedy
maximální možná rychlost hmotného tělesa? (domnívám se, že pokud bychom to
číslo znali a odečetli ho od rychlosti světla, získaly bychom nejmenší
jednotku času, ale to je v rozporu s tím, že čas se nedělí na kvanta)
2.Pokud posvítím baterkou ze stojícího auta, vyletí z ní fotony určité
vlnové délky. Pokud posvítím baterkou z jedoucího auta, vlnová délka fotonů
se zkrátí a světlo urazí větší vzdálenost, než aby se k jeho rychlosti
přičetla rychlost jedoucího auta. Je moje domněnka správná? (Vašek)
Odpověď: 1. Ono je to tak, že se může pohybovat libovolnou menší rychlostí, než je
rychlost světla. Ve speciální relativitě se často pracuje s koeficientem
Ten udává, kolikrát se zkracují télky, dilatuje čas, zvyšuje hmotnost
apod. Není neobvyklé pozorovat částici, která se pohybuje např.
s γ = 1000 (tj. je např. 1000 x těžší než v klidu). Dopočteme-li v
takovém případě rychlost, vyjde v = 0.9999995 c, tj. do rychlosti světla
chybí jen asi 150 m/s.
2. Ano, v podstatě máte pravdu. Jedním z výchozích principů speciální teorie
relativity je princip konstantní rychlosti světla, čili fakt, že světlo se
pohybuje stejně rychle v každé (inerciální) soustavě. Nevyhnutelným
důsledkem tohoto (z pohledu klasické fyziky poněkud podivného) faktu je
pak mj. vámi zmíněný Dopplerův jev, tj. změna vlnové délky světla při
vzájemném pohybu zdroje a pozorovatele.
Není možné ale relativistický Dopplerův jev zaměňovat s klasickým
(pozorovatelným např. na zvuku). Zde se jedná o zcela jiný princip, zvuk
má (narozdíl od světla) jasně dané prostředí, ve kterém se šíří (vzduch),
zatímco u světla takové prostředí (éter) neexistuje.
Dotaz: Při studiu parametrů Geiger-Müllerových trubic jsem narazil na následující
věc. Detektory jsou vyráběny v několika základních variantách (lišících se
schopností detekce různých druhů záření, čehož je dosaženo propustností
materiálu stěny detektoru případně zabudováním slídového okénka atp.). Jedna
z variant jsou tzv. energeticky kompenzované GM trubice. Nevím co to znamená,
jde však o něco jiného než o citlivost ke konkrétnímu druhu záření (dělají se
s okénkem i bez). Mám na to hypotézu: Četnost impulzů generovaných trubicí je
úměrná počtu vlétnuvších fotonů gama za čas. Ukazatel detektoru je obvykle
cejchován v Gr/hod (nebo Sv/hod). Měřený tok (Gr/hod) je dle definice (je to
vlastně fyzikálně výkon) závislí nejen na hustotě částic (četnosti impulzů),
ale i na vlnové délce (energii) fotonů. Myslím si, že kompenzací trubice (asi
stíněním, absorbujícím více fotony s menší energií) je odstraněna závislost
měřeného toku (Gr/hod) na vlnové délce, tz. úmyslně vytvořená závislost
četnosti impulzů na vlnové délce. Je to tak, nebo jsem zcela vedle? (Petr Štěpánek)
Odpověď: Nejste vůbec vedle, skutečně jde o kompenzaci odezvy na gama, která se snaží
korigovat fakt, ze účinný průřez absorbce gama při malých energiích silně klesá (viz
například str. 18 v
http://pdg.lbl.gov/2002/passagerpp.pdf), přičemž navíc
závisí na materiálu stěny, kde většinou ke konverzi gama-fotoelektron
dochází, účinný průřez fotoefektu závisí na Z5! Tj. chcete-li
například měřit gama pro účely radiační ochrany, měla by odezva GM odpovídat
absorbované energii gama v našich tělech, která mají nejblíže k vodě,
viz pěkný článek o detektorech
http://www.cs.nsw.gov.au/rpa/pet/RadTraining/IonisationDetectors.htm
Nejsem ale expert, nevím, jak je to přesně uděláno.
Dotaz: Je v černé díře, tedy v onom zvláštním místě vesmíru (pokud skutečně existuje)
skutečně díra- otvor?Je-li, co je v tomto v tomto prostoru?Podle toho, co
jsem dosud četl, by gravitace v takovém místě spíše znamenala "absolutní"
koncentraci hmoty. Není tedy černá díra spíše černý bod?Děkuji za odpověď (Pavel Dombrovský)
Odpověď: Vysoká koncentrace hmoty v černé díře může vyvolat tak velké
zakřivení prostoročasu, že se jeho část jako by uzavře a oddělí od
zbytku, takže "zevnitř" nemůže žádný případný pozorovatel vyslat
signál, který by dosáhl vnějšího pozorovatele a zprostředkoval mu jakoukoli
zprávu. (Pohyb světelných fotonů rovněž podléhá vlivu gravitace.)
Nicméně obrácený směr pohybu hmoty možný je - černá díra je obklopena
horizontem, který se chová jako jednocestná membrána. Hmota padající
dovnitř končí v singularitě, kterou si vskutku lze v jistém pohledu
představit jako bod (i když ani to není přesné). V černé díře je však
tato singularita obklopena zmíněným horizontem, a ten představuje
hranici černé díry pro vnějšího pozorovatele.
