Wie lange würde es dauern, eine bestimmte Menge an Photonen zu sammeln?

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Px Eo ae CK OM Af VR GZ IK TM Kd Wa eo MW NY cS

Also, ich habe diese Frage erhalten, um sie zu lösen, sie ist nicht sehr fortgeschritten, aber fortgeschritten genug, um Kopfschmerzen zu verursachen.

Die Situation ist wie folgt:

Angenommen, Sie beobachten mit einem Teleskop mit einer effektiven Fläche von 44000 $cm^2$. Nehmen Sie an, dass der Gesamtwirkungsgrad durch die Atmosphäre, das Teleskop, die Optik und den Filter 50 % beträgt. Wie lange würde es dauern, um 80 Photonen von einer Quelle mit V=20 zu sammeln?

Ich habe wenig bis keine Ahnung, wie ich dieses Problem angehen soll. Kann jemand helfen? Ich hatte Vorlesungen über spektrale Flussdichte, und ich würde annehmen, dass Sie sie hier verwenden müssen.

Danke im Voraus!

Adam.

Beobachtung der Quantenkohärenz von im freien Raum gestreuten Photonen

Jeder optische Puls des Lasers wird durch einen Phasenwandler geschickt, der zwei kohärente Pulse erzeugt, während der Multimode-Analysator die von der Zieloberfläche gestreuten Signale misst, implementiert mit normalem hellem Papier. Als Detektionseinrichtung wird ein Single-Photon-Detektor-Array verwendet, mit 8 x 8 einzelnen Pixeln, die jeweils separat zeitmarkiert sind. Bildnachweis: Shihan Sajeed, Thomas Jennewein

Quantenkohärenz ist ein wichtiger Bestandteil vieler grundlegender Tests und Anwendungen in der Quantentechnologie, einschließlich Quantenkommunikation, Bildgebung, Computer, Sensorik und Metrologie. Die Übertragung von Quantenkohärenz im freien Raum war jedoch bisher auf direkte Sichtlinienkanäle beschränkt, da atmosphärische Turbulenzen und Streuung die Kohärenzqualität stark verschlechtern.

In einem neuen Papier veröffentlicht in Licht: Wissenschaft & Anwendungen, haben Forscher der University of Waterloo zum ersten Mal erfolgreich die Übertragung und Wiederherstellung der Quantenkohärenz mithilfe von im freien Raum gestreuten Photonen demonstriert. Dies ermöglicht neue Forschungsmöglichkeiten und Anwendungen in Bereichen von der Quantenkommunikation bis zur Bildgebung und darüber hinaus.

"Die Fähigkeit, Quantenkohärenz über gestreute Photonen zu übertragen, bedeutet, dass Sie jetzt viele Dinge tun können, die zuvor direkte Sichtlinien-Freiraumkanäle erforderten", sagte Shihan Sajeed, Hauptautor der Studie und Postdoc am Institut für Quantum Computing (IQC) und am Department of Physics and Astronomy der University of Waterloo in Ontario, Kanada.

Wenn Sie versuchen, Photonen über die Luft (freier Raum) für die Quantenkommunikation oder ein anderes quantenkodiertes Protokoll zu senden und zu empfangen, benötigen Sie normalerweise eine direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger. Alle Objekte im Strahlengang – so groß wie eine Wand oder so klein wie ein Molekül – reflektieren einige Photonen und streuen andere, abhängig vom Reflexionsvermögen der Oberfläche. Jede in den Photonen kodierte Quanteninformation geht typischerweise in den gestreuten Photonen verloren und unterbricht den Quantenkanal.

Zusammen mit Thomas Jennewein, dem leitenden Forscher des Quantum Photonics Lab am IQC, fand Sajeed einen Weg, die Quantenkohärenz in Paaren von nacheinander gesendeten Photonenpulsen zu kodieren, sodass diese ihre Kohärenz auch nach Streuung an einer diffusen Oberfläche beibehalten.

Die Forscher sendeten eine Folge von Pulspaaren mit einer bestimmten Phasenkohärenz aus, die sich aus den gestreuten Photonen mittels Quanteninterferenz messen ließ. Sie verwendeten auch einen Einzelphotonen-Detektor-Array-Sensor, der nicht nur durch atmosphärische Turbulenzen verursachte Wellenfrontverzerrungen löste, sondern auch als Bildgeber fungierte und es ihnen so ermöglichte, Einzelphotoneninterferenz und Bildgebung gleichzeitig zu beobachten. Sie platzierten den Detektor dort, wo er nur gestreute Photonen der Laserpulse absorbieren würde, und beobachteten eine Sichtbarkeit von über 90 %, was bedeutet, dass die gestreuten Photonen ihre Quantenkohärenz auch nach dem Aufprall auf ein Objekt beibehielten.

Ihre neuartige Technik erforderte maßgeschneiderte Hardware, um das kohärente Licht zu nutzen, das sie erzeugten. Das Einzelphotonen-Detektor-Array konnte jede Sekunde eine Milliarde Photonen mit einer Genauigkeit von 100 Pikosekunden nachweisen. Nur modernste Zeiterfassungselektronik konnte die Anforderungen dieses Lichtflusses bewältigen, und das Team musste eine eigene Elektronik-Adapterplatine entwickeln, um zwischen den Detektoren und dem Computer zu kommunizieren, der die Daten verarbeitete.

„Unsere Technik kann dabei helfen, ein Objekt mit Quantensignalen abzubilden oder eine Quantenbotschaft in einer lauten Umgebung zu übertragen“, sagt Sajeed. "Gestreute Photonen, die zu unserem Sensor zurückkehren, haben eine gewisse Kohärenz, während das Rauschen in der Umgebung dies nicht tut, und so können wir alles außer den ursprünglich gesendeten Photonen ablehnen."

Sajeed erwartet, dass ihre Ergebnisse neue Forschungen und neue Anwendungen in den Bereichen Quantensensorik, Kommunikation und Bildgebung in Freiraumumgebungen anregen werden. Das Duo demonstrierte in seiner Veröffentlichung Quantenkommunikation und Bildgebung, aber Sajeed sagte, dass weitere Forschung erforderlich ist, um herauszufinden, wie ihre Techniken in verschiedenen praktischen Anwendungen eingesetzt werden könnten.

„Wir glauben, dass dies in quantenverstärktem LIDAR (Light Detection and Ranging), Quantensensorik, Non-Line-of-Sight-Imaging und vielen anderen Bereichen eingesetzt werden könnte – die Möglichkeiten sind endlos“, sagte Sajeed.

Licht und Photonen und Radio?

Wenn Sie einen großen Turm bauen und eine große Glühbirne darauf setzen, würde er Lichtphotonen in alle Richtungen schießen.

Wenn Sie nein nein nein sagen, müssen wir Funkwellen senden, dann nehmen Sie die Glühbirne heraus und installieren einen Funksender.

Aber Radiowellen sind eine Form von Licht. Strahlen Funktürme also Photonen des Funkwellenlichts in alle Richtungen?

Wenn ja, könnten Sie hypothetisch einen „Radio“-Turm mit einer großen Glühbirne als Sender bauen und dann Radios bauen, die dieses Licht empfangen und Musik und Nachrichten abspielen, der einzige Unterschied besteht darin, dass Sie mit verschiedenen Wellenlängen und Frequenzen von . arbeiten Licht?

#2 DAG792

Wenn Sie einen großen Turm bauen und eine große Glühbirne darauf setzen, würde er Lichtphotonen in alle Richtungen schießen.

Wenn Sie nein nein nein sagen, müssen wir Funkwellen senden, dann nehmen Sie die Glühbirne heraus und installieren einen Funksender.

Aber Radiowellen sind eine Form von Licht. Strahlen Funktürme also Photonen des Funkwellenlichts in alle Richtungen?

Technisch kann man ein Sende- und Empfangssystem mit jeder beliebigen Lichtfrequenz aufbauen. Es ist sehr gut möglich.

Aber in der Praxis muss man sich überlegen, warum Radiowellen verwendet werden. Dafür gibt es zwei Gründe:

1) Die erste ist die Störung. Die mit Radio Waves gesendeten Signale können nicht durch Rauschen ausgewaschen werden. Dies gilt insbesondere, wenn Sie bestimmte Wellenlängen verwenden. Wenn Sie einen Sender/Empfänger für sichtbares Licht bauen, würde das Signal, das der Empfänger sammelt, immer von anderen Quellen des sichtbaren Lichts ausgewaschen, z. B. der Sonne, dem Mond oder sogar unseren eigenen Lichtern.

2) Funkwellen können sehr leicht um große Hindernisse herum gebeugt werden. Dies liegt an ihren extrem langen Wellenlängen. Jede elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner als Radiowellen würde es schwer haben, überhaupt an einem Hindernis vorbeizukommen. Beispielsweise müsste bei sichtbarem Licht eine direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger bestehen, damit überhaupt ein Signal empfangen werden kann. In der Praxis wäre das also ziemlich nutzlos.

#3 Barbarosa

Wenn die Antenne eine Lampe und eine Funkantenne hat, emittieren beide Photonen, die wir als Wellen beschreiben können.

Wir sprechen gewöhnlich von Radiowellen und Lichtphotonen, als ob sie verschiedene Dinge wären. Sie sind nicht. Licht und Radio sind beide elektromagnetische Strahlung und Photonen sind die Quanten oder Teilchen dieser Strahlung. Strahlung, die wir wie ein Wellenphänomen mit Amplitude und Länge behandeln können.

#4 Dunkles Photon

Wenn Sie einen großen Turm bauen und eine große Glühbirne darauf setzen, würde er Lichtphotonen in alle Richtungen schießen.

Wenn Sie nein nein nein sagen, müssen wir Funkwellen senden, dann nehmen Sie die Glühbirne heraus und installieren einen Funksender.

Aber Radiowellen sind eine Form von Licht. Strahlen Funktürme also Photonen des Funkwellenlichts in alle Richtungen?

Sowohl Funkantennen als auch Glühbirnen emittieren Photonen, aber es gibt einen entscheidenden Unterschied zwischen beiden.

Funkantennen emittieren Photonen kohärent "in Phase", so dass sich ihre Amplituden zu großen elektromagnetischen Wellen addieren. Glühbirnen emittieren Photonen zufällig, im einfachsten Fall durch Wärmestrahlung eines heißen Glühfadens.

Diese kohärente Emission von einer Funkantenne ist möglich, weil die Antennen die richtige Länge haben, die Wellenlänge der Welle oder die Hälfte davon und der die Antenne antreibende Strom die Frequenz der ausgesendeten Welle hat. Um dasselbe für Licht zu tun, bräuchten wir Antennen von wenigen hundert Nanometern Länge und erzeugen Ströme mit Hunderten von Tera-Hertz-Frequenzen. Ich glaube nicht, dass wir eine Elektronik haben, die im Bereich von 10 ^ 14 Hz funktioniert. Außerdem würden winzige Antennen nicht viel Energie aussenden, sodass wir das Licht technisch nicht zur Übertragung von Informationen verwenden können.

Man könnte einfach die Helligkeit einer Glühbirne modulieren, aber nicht mit der Frequenz, die erforderlich ist, um Ton in Stereo zu übertragen. Es wäre weit entfernt vom lahmen Radiosender. Wie DAG792 erwähnt, breiten sich Funkwellen besser durch Hindernisse aus als Licht, daher sind sie auch aus diesem Grund praktischer. Die letzte praktische Sorge besteht darin, dass tagsüber so viel Umgebungssonnenlicht vorhanden ist, dass die Erkennung des "Glühbirnen-Radiosenders" nahezu unmöglich wäre.

Natürlich verwendet die Faseroptik Licht, um Informationen zu übertragen. Das Einschließen des Lichts in Fasern beseitigt die Bedenken hinsichtlich des Umgebungssonnenlichts und des Durchfahrens von Hindernissen. Ich weiß nicht, welche Lichtquellen in Glasfaserkabeln verwendet werden, aber ich denke, das Signal wird durch Modulation der Amplitude oder einfach binär ein- und ausgeschaltet.

Bearbeitet Dark Photon, 10. Januar 2021 - 13:18.

#5 ngc7319_20

Wenn Sie einen großen Turm bauen und eine große Glühbirne darauf setzen, würde er Lichtphotonen in alle Richtungen schießen.

Wenn Sie nein nein nein sagen, müssen wir Funkwellen senden, dann nehmen Sie die Glühbirne heraus und installieren einen Funksender.

Aber Radiowellen sind eine Form von Licht. Strahlen Funktürme also Photonen des Funkwellenlichts in alle Richtungen?

Ja, Radiosender strahlen Radiophotonen in alle Richtungen. Aber wenn es wie ein FM-Radio- oder TV-Sender ist, versuchen sie, mehr seitlich (wo Kunden sind) und nicht so direkt nach oben zu sprengen (nicht viele Menschen auf dem Mond gerade).

Ja. Es gibt optische Kommunikationsverbindungen mit einem Sender und einem Empfänger, die Licht verwenden, um Daten oder Sprache über viele Kilometer zu übertragen. Normalerweise ist Privatsphäre erwünscht (wie die Kommunikation von militärischen Informationen), also ist es nicht "alle Richtungen", sondern zielt darauf ab, wo Sie denken, dass Ihr Kumpel / Freund / U-Boot ist. Manchmal befindet sich an beiden Enden ein Teleskop. Hypothetisch könnte man in alle Richtungen senden, wenn man es wirklich wollte.

Bearbeitet von ngc7319_20, 10. Januar 2021 - 17:05 Uhr.

#6 Chuck Conner

Ja, Licht kann moduliert werden. In den 1920er Jahren wurde den Filmen Ton hinzugefügt, indem ein Lichtstrahl moduliert und eine Tonspur auf dem Kinofilm belichtet und aufgezeichnet wurde, die über eine Fotozelle im Projektor- und Verstärker-/Lautsprechersystem im Kino wiedergegeben wird.

Ich frage mich, ob SETI oder jemand mit Teleskopen und Fotozellen den Himmel absucht und nach modulierten Lichtsignalen lauscht?

Bearbeitet Chuck Conner, 11. Januar 2021 - 10:16.

#7 Gschnettler

Danke für alle Antworten bisher. Ich glaube nicht, dass es eine gute Idee ist, einen Glühbirnen-Radiosender zu bauen. Ich benutze dies nur als Beispiel, um mir zu helfen, diese Dinge besser zu verstehen. Ich habe mir Radiowellen und Lichtwellen immer als unterschiedlich vorgestellt (obwohl ich sicher vor vielen Jahren gelernt habe, dass beides Formen von Licht sind). Jetzt, wo ich wieder in die Astronomie zurückkehre, scheint es seltsam, dass wir große Spiegel und riesige Satellitenschüsseln haben, die sehr unterschiedlich zu sein scheinen, aber beide nehmen nur Licht auf, wenn auch mit unterschiedlichen Wellenlängen.

Hier sind also noch ein paar Fragen:

1) Wir können Infrarot und darunter nicht sehen, aber Digitalkameras können. Wenn Sie ein Teleskop entwerfen wollten, um Infrarot aufzunehmen, gehe ich davon aus, dass Sie es immer noch mit Spiegeln (oder Glaslinsen) bauen würden. Auf welcher Wellenlänge wird es dafür zu lang, wenn Sie sagen: „Nein, optisch geht das nicht mehr, wir müssen jetzt auf Satellitenschüsseln umsteigen.“?

2) zurück zur Funkantenne, wenn wir die Technologie hätten und eine „normale“ Funkantenne bauen könnten (die für mich wie eine Ansammlung von Metallstäben aussieht) und sie einfach durch Verkürzen der Länge auf die Länge des sichtbaren Lichts abgestimmt haben und würde dann mit der Frequenz des Lichts gesendet, würde es tatsächlich sichtbares Licht emittieren? Scheint so zu sein. Gibt es Glühbirnen, die so funktionieren?

#8 freestar8n

Ich denke, eine bessere Analogie eines "Radioleuchtturms" ist nur ein Funkfeuer oder eine Antenne, die statisch ohne jeglichen Informationsinhalt sendet. Ein Leuchtturm trägt keine Informationen außer der Position der Lichtquelle - und eine Antenne, die nur einen inkohärenten Bereich von Funkrauschen aussendet, würde den gleichen Zweck erfüllen.

Mit einem Leuchtturm empfangen Sie die Photonen durch Linsen in Ihren Augen, die sich bilden und abbilden, die Ihnen die Richtung der Quelle sagen. Das gleiche können Sie mit Richtantennen tun.

Es sind alles Photonen und es ist alles ein inkohärenter Mischmasch von Photonen mit einer Reihe von Energien. Der einzige Unterschied besteht in den Geräten, die verwendet werden, um diese Photonen zu erzeugen und zu empfangen und zu wissen, woher sie kommen.

Bei einem Leuchtturm muss er sich drehen und einen kollimierten Strahl herum und herum senden, da eine stationäre Glühbirne, die 360 Grad ausstrahlt, zu viel Energie erfordern würde, um die gleiche Entfernung und bei schlechtem Wetter zu erreichen. Bei Radiowellen können Sie dies so oder so tun, wenn Ihr Detektor empfindlich genug ist. Leuchttürme sind auf die menschliche Sicht angewiesen, um erkannt zu werden – und das bei Regen und Nebel. Aber Radio würde mit einem Richtungsempfänger empfangen, der ziemlich empfindlich sein könnte - und Sie brauchen nichts zum Drehen.

#9 bcgilbert

Sowohl Funkantennen als auch Glühbirnen emittieren Photonen, aber es gibt einen entscheidenden Unterschied zwischen beiden.

Diese kohärente Emission von einer Funkantenne ist möglich, weil die Antennen die richtige Länge haben, die Wellenlänge der Welle oder die Hälfte davon und der die Antenne antreibende Strom die Frequenz der emittierten Welle hat. Um dasselbe für Licht zu tun, bräuchten wir Antennen von wenigen hundert Nanometern Länge und erzeugen Ströme mit Hunderten von Tera-Hertz-Frequenzen. Ich glaube nicht, dass wir eine Elektronik haben, die im Bereich von 10 ^ 14 Hz funktioniert. Außerdem würden winzige Antennen nicht viel Energie aussenden, sodass wir das Licht technisch nicht zur Übertragung von Informationen verwenden können.

Ich habe eine ganz andere Sicht auf "Licht und Photonen und Radio?"

Das Konzept des Photons mit all seinen Paradoxien hat die Physik über viele Jahrzehnte entgleist. Es ist an der Zeit, ein so lächerliches Konzept (Einsteins größter Fehler) zu verwerfen. Die Maxwell-Gleichungen beschreiben vollständig optische und Hochfrequenz-(HF)-Phänomene, sie sind bis auf den Maßstab identisch. Frühe Funkfunkenstrecken-Sender waren Glühbirnen ähnlich, da die Energie thermisch, nicht kohärent und sehr breitbandig war, wurde eine einfache Ein-Aus-Modulation verwendet. RF wechselte dann zu kohärenten Vakuumröhren-Schmalbandoszillatoren und ausgefeilterer Modulation, die Optik bewegte sich ähnlich, aber viel später. Der Laser revolutionierte die Optik und ermöglichte eine kohärente Schmalbandübertragung sowohl für den freien Raum als auch für Glasfasern. Die Modulationstechnologie folgte auf RF und wir haben derzeit Frequenzmultiplexing in unseren Fasern. Diese Technologie ähnelt Ihren alten Superhetrodyn-Funkgeräten und ermöglicht eine obszöne Anzahl von Kanälen auf einer einzigen Faser. Diese Technologie kann auch für die Freiraum-Sichtkommunikation verwendet werden.

Ich glaube, dass sich Quasi optische HF- und Ferninfrarot-Technologie im Moment überschneiden

Die Nanotechnologie ermöglicht die Herstellung und den Betrieb von winzigen Dipolen und anderen HF-ähnlichen Geräten (Richtkoppler, Zirkulatoren etc.) im optischen Bereich. Das Militär dominiert diese futuristischen Bereiche, aber Technologie sickert durch oder sickert in die Kommunikationsindustrie ein.

PS: Dipole machen Wärmestrahlung nicht kohärent, Maser, Laser, Vakuumröhren und Transistoroszillatoren tun es

Antworten und Antworten

Bedeutet das, dass die Photonenrate immer konstant ist? Und ändert sich nur die Energie des Photons?

Ich dachte, die Intensität sei proportional zum Quadrat von |E|. Aber wie bringe ich das dann in Einklang, wenn die Frequenz die Größe ist, die die Energie eines Photons bestimmt?

Danke für deine Hilfe. Ich würde das wirklich gerne herausfinden!

Okay, nimm zum Beispiel einen roten Laser einer bestimmten Frequenz v. Du hast ihn mit einem Drehregler verbunden, mit dem du die Intensität fein regulieren kannst (weniger Energie hineinstecken). Und Sie leuchten es auf ein Gerät namens Photomultiplier.

Ich würde vorschlagen, dass Sie ein Wiki über Photomultiplier erstellen. Es lohnt sich zu lesen. Aber kurz gesagt, wir haben ein Gerät, das klickt, wenn ein Photon auf den Photomultiplier trifft. Und dieses Klicken ist je nach absorbierter Energie lauter oder leiser.

Angenommen, Sie drehen den Laser so weit herunter, dass Sie nur gelegentlich ein Klicken hören. Das wären einzelne Photonen. Sie können feststellen, dass Sie durch Herunterdrehen weniger Klicks bei gleicher Lautstärke erhalten. Das Aufdrehen erhöht die Anzahl der Klicks, aber sie sind immer noch gleich laut.

Wir müssen daraus schließen, dass jedes einzelne Photon für eine bestimmte Frequenz eine bestimmte Energiemenge hat. Das heißt, rote Photonen haben jeweils eine bestimmte Menge an Energie, ebenso wie blaue, Gammastrahlen usw. Wenn Sie die Intensität des Lichts erhöhen, sendet es diese zusätzliche Energie einfach als weitere Photonen aus. Es stellt sich heraus, dass, wenn Sie die Frequenz erhöhen, die Energiemenge pro Photon erhöht wird und die Klicks lauter werden (und umgekehrt).

Und wie Gallap sagte, E=hv. Nehmen Sie also die Frequenz und multiplizieren Sie sie mit der Planck-Konstanten und Sie haben die Energie von Photonen dieser Frequenz. Offensichtlich bedeuten höhere Frequenzen mehr Energie.

Ich bin kein Physiker oder so, also korrigiert mich jemand, wenn ich einen Fehler gemacht habe, aber das sollte richtig und hoffentlich verständlich sein.

EDIT: Ich wollte nur hinzufügen, dass ich nicht der Beste bin, um die sogenannte "Wellennatur" des Lichts zu erklären. Die tatsächliche Bedeutung liegt mehr oder weniger in Wahrscheinlichkeiten (wie sie eine "destruktive Interferenz" haben können und Sie eine Wahrscheinlichkeit von nahezu null dafür finden, dass sich ein Photon an einer bestimmten Stelle befindet), aber so verstehe ich es. Vielleicht kann sich noch jemand mit einer klaren Erklärung einklinken. Der Schlaf lockt mich und ich bezweifle, dass ich es gut erklären werde.

Hallo Grepe. Vielen Dank für Ihre Erklärung.

Okay, jetzt verstehe ich, dass die Frequenz einfach die Energiemenge bestimmt, die in einem Photon enthalten ist (die "Lautstärke", wenn Sie so wollen), und nur die Intensität des Lichts beeinflusst die Photonenrate.

Meine einzige offene Frage betrifft die Lichtintensität. Ich weiß, dass die Intensität das Quadrat der Amplitude des elektrischen Felds ist und auch als Energie pro Zeiteinheit pro Flächeneinheit definiert ist. Gibt es eine physikalische Intuition, die die elektrische Feldamplitude (quadratisch) und die Photonenrate verknüpft? Ich habe kein Bauchgefühl dafür, wie oder warum sie verwandt sind.

Photonenrauschen

Photonenrauschen oder „Schrotrauschen“ wird tatsächlich vom Objekt selbst erzeugt. Dies liegt daran, dass die vom Kamerachip empfangenen Photonen in zufälligen Abständen eintreffen. Mit anderen Worten, über einen bestimmten Zeitraum werden die empfangenen Photonenpakete von Natur aus tatsächlich in ihrer Menge variieren, während sie durch den Weltraum reisen und an Ihrer Kamera ankommen. Dies bedeutet, dass jedes Teil, das mit der gleichen Zeitdauer aufgenommen wurde, leicht unterschiedliche Mengen an Photonen erhalten hätte. Diese Zufälligkeit der empfangenen Photonen erzeugt diese Art von Rauschen.

Welche Lebensdauer hat ein Photon?

Das Photon – das Lichtquant oder andere elektromagnetische Strahlung – wird normalerweise als masselos angesehen. Aber einige Theorien erlauben Photonen eine kleine Ruhemasse und eine Folge davon wäre, dass Photonen dann in leichtere Elementarteilchen zerfallen könnten. Wenn also ein solcher Zerfall möglich wäre, was sind dann die Grenzen der Lebensdauer eines Photons? Das ist die Frage eines Physikers in Deutschland, der die untere Grenze für die Lebensdauer des Photons auf drei Jahre im Photonenbezugssystem berechnet hat. Dies entspricht in unserem Bezugsrahmen etwa einer Milliarde Milliarde (10 18 ) Jahre.

Eine Frage der Masse

Die Vorstellung, dass Photonen eine endliche Lebensdauer und damit Masse haben, ist schwer vorstellbar. Tatsächlich entdecken Astronomen, die weit entfernte kosmische Objekte betrachten, regelmäßig Photonen, die Milliarden Jahre alt sind. Einige Theorien deuten jedoch darauf hin, dass Photonen eine von Null verschiedene Ruhemasse haben könnten, wenn auch eine kleine – die obere Grenze für die Masse des Photons ist auf 10 󈝾 eV oder 10 󈞢 kg beschränkt, danke zu Experimenten mit elektrischen und magnetischen Feldern. Und mit dieser geringen Masse könnte ein Photon in andere leichtere Elementarteilchen zerfallen, wie zum Beispiel ein Paar des leichtesten Neutrinos und ein Antineutrino, oder sogar Teilchen, die derzeit unbekannt sind und jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik liegen.

Nun hat sich Julian Heeck vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg kosmologischen Beobachtungen zugewandt, um Anzeichen für diesen Photonenzerfall zu finden (Phys. Rev. Lett. 111 021801). Er betrachtete den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), ein Überbleibsel des Urknalls, der entstand, als das Universum noch sehr jung war – nur etwa 380.000 Jahre alt.

Hintergrundglühen

Vor dieser Zeit waren Materie und Strahlung untrennbar miteinander verbunden. Aber als das Universum eine Phase extremen Wachstums durchlief, die als „Inflation“ bekannt ist, und sich ausdehnte, kühlte sich das heiße Plasma aus Elektronen und leichten Kernen so weit ab, dass sich neutrale Atome bilden konnten. Diese “Entkopplung” von Materie und Strahlung ermöglichte es Photonen plötzlich, sich frei durch das Universum zu bewegen. Im Laufe der Zeit wurden ihre Wellenlängen durch die Expansion des Universums gedehnt, um ein schwaches Strahlungsglühen im Mikrowellenbereich des Spektrums zu hinterlassen – eine Emission einheitlicher thermischer Schwarzkörperenergie – in alle Richtungen, die wir erkennen können heute.

Mehr als 100 Experimente haben das CMB seit seiner ersten Entdeckung untersucht, darunter der Satellit Cosmic Background Explorer (COBE) der NASA, seine Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) und in jüngerer Zeit die Planck-Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die alle haben diese Strahlung immer genauer gemessen. Tatsächlich ist das CMB-Spektrum das am genauesten gemessene Schwarzkörperspektrum in der Natur.

Ein langes Leben

Es ist dieses Spektrum, das Heeck als Einschränkung für seine Berechnungen verwendet – er verwendete extrem genaue Daten der COBE-Mission und verglich sie mit seinem berechneten Spektrum, das den Photonenzerfall einschloss.

Wenn das Photon eine Masse hat und in leichtere Teilchen zerfällt, sollte die Anzahl der Photonen in der CMB abnehmen, während die Photonen wandern. Dies würde jedoch wiederum bedeuten, dass das CMB-Spektrum nicht mehr zu der beobachteten nahezu perfekten thermischen Kurve passen würde. Heeck argumentiert, dass, da der CMB ein fast perfekter schwarzer Körper ist, nur sehr wenige Photonen, wenn überhaupt, während der 13,8 Milliarden Jahre langen Existenz des Universums zerfallen sind und die CMB-Messungen die Lebensdauer des Photons einschränken können.

Unter Verwendung einer Kombination der Masse- und CMB-Beschränkungen berechnet Heeck die Lebensdauer des Photons innerhalb seines eigenen Ruherahmens auf drei Jahre. Da sich diese Photonen mit winziger Masse jedoch fast mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, muss die Zeitdilatation berücksichtigt werden, um ihre Lebensdauer in unserem Bezugsrahmen für sichtbares Licht zu erhalten – und diese wurde mit 10 18 oder einer Milliarde Milliarden Jahre berechnet . Eine Verbesserung dieser Grenze könnte schwierig sein, bis neue Studien das frühe Universum weiter untersuchen können.

Antworten und Antworten

Die Photonen eines Sterns gehen radialsymmetrisch in alle Richtungen. Licht reist ein Lichtjahr pro Jahr. Um einen Stern, der seit N Jahren leuchtet, kann man sich also eine große Kugel im Zentrum des Sterns vorstellen, deren Oberfläche N Lichtjahre entfernt ist. Jeder innerhalb dieser Kugel kann den Stern sehen. Man könnte vernünftigerweise sagen, dass die gesamte Kugel voller Photonen des Sterns ist.

Wenn Sie jedoch wirklich weit vom Stern entfernt sind, wären die Photonen sehr diffus. Es kann immer noch lange dauern, bis eines zufällig Ihr Teleskop trifft, obwohl Sie sich technisch gesehen in dieser Sphäre befinden.

Moment, ich glaube, ich verstehe die Frage, und sie stört mich auch. Ich verstehe die Shell-Idee, aber hier ist das Problem, wie ich es sehe und wie ich denke, das ursprüngliche Poster meinte es.

Zu einem bestimmten Zeitpunkt T emittiert ein Stern eine endliche Anzahl von Photonen, richtig? In alle Richtungen, sicher und wie die Lichtgeschwindigkeit sicher, aber da jede dieser Lichtschalen keine unendliche Photonendichte hat, werden dann nicht "Lücken" zwischen den Photonen auftreten, wenn Sie sich immer weiter vom Stern entfernen?

Eine andere Betrachtungsweise könnte dies sein: Wenn es unendlich viele "Richtungen" gibt, kann etwas von einem Stern aus schießen, aber nur eine endliche Anzahl von Photonen zu einem bestimmten Zeitpunkt, dann haben viele Richtungen kein Photon. Während sich viele dieser Richtungen unterscheiden, aber eine unglaublich kleine Entfernung, die die meiste Zeit keine Rolle spielt, werden mit zunehmender Entfernung selbst kleine Unterschiede signifikant und sollten Lücken erzeugen.

Angenommen, ich bin in meiner Frage hier klar, kann mir jemand erklären, was mir fehlt? Vielen Dank.

Du hast Recht. Die Photonendichte in jeder "Schale" nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Je weiter Sie entfernt sind, desto unwahrscheinlicher ist es, einem Photon vom Stern zu begegnen, wie ich in meinem vorherigen Beitrag sagte.

Moment, ich glaube, ich verstehe die Frage, und sie stört mich auch. Ich verstehe die Shell-Idee, aber hier ist das Problem, wie ich es sehe und wie ich denke, das ursprüngliche Poster meinte es.

Angenommen, ich bin in meiner Frage hier klar, kann mir jemand erklären, was mir fehlt? Vielen Dank.

Die Antwort liegt in der Phrase "in jedem gegebenen Augenblick". Im nächsten Moment wird eine ganz neue Gruppe von Photonen emittiert und danach noch eine Gruppe und noch eine und noch eine. Jede dieser Photonengruppen wird in zufällige Richtungen emittiert, sodass spätere Photonen in die Lücken der früheren fallen. Bei jeder endlichen Entfernung von einer Lichtquelle nimmt jede gegebene Fläche (wie die Öffnung des Hubbles) einen bestimmten Prozentsatz der Photonen-"Hülle" in dieser Entfernung ein. Wenn Sie also lange genug warten, müssen viele Photonen Ihr Teleskop treffen. Je länger Sie warten, desto mehr Photonen sammeln Sie.

Dies ist, was der Hubble macht. Es verwendet lange Belichtungszeiten und Mehrfachbelichtungen desselben Objekts, um ein einzelnes Bild zu erhalten. Es gibt ein Bild, für das 800 Aufnahmen über 4 Monate verteilt wurden.

Theoretisch können Sie das Objekt sehen, wenn Sie lange genug belichten, um genügend Photonen zu sammeln, egal wie weit es entfernt ist.

Das Problem mit Fotografien ist die Einschränkung von Technologie -- alle fotografischen Medien, einschließlich digitaler Imager, sammeln sowohl zufälliges Rauschen als auch echte Photonen. Das Signal der realen Photonen muss größer sein als das "Signal" des Zufallsrauschens, sonst geht das Signal im Rauschen "verloren".

Danke Janus, das ist mir später auch eingefallen.

Noch eine Frage, was ist die Querschnittsfläche eines Photons, wenn eine solche Frage überhaupt Sinn macht und bekannt ist? (mit anderen Worten, wie viel von jeder Schale nimmt jedes Photon ein?)

Es macht keinen Sinn Gonzo, oder zumindest nicht ohne erhebliche Qualifikation.

Denken Sie an Röntgenstrahlen oder Gammas oder Photonen, die energiereich genug sind, dass unsere Aufnahmegeräte sie zählen (funktioniert auch mit anderen Wellenlängen gut, aber die meisten Leute finden es einfacher, an das Klicken eines Geiger-Müller-Zählers zu denken), und stellen Sie sich vor, wir hätten ein "perfektes" Röntgenteleskop (es erkennt alle Röntgenphotonen im Energieband A aus einer Himmelsregion b" x b" es gibt kein internes Rauschen und es werden keine Photonen aus anderen Richtungen erfasst). Führen Sie nun die inversen Quadratberechnungen durch (z. B. wenn unser Teleskop jetzt (durchschnittlich) 1 Photon pro Sekunde aufnimmt, dann, wenn die stationäre Quelle doppelt so weit entfernt wäre, würde sie auf 1 pro 4 Sekunden sinken usw.), einschließlich des Sammelbereichs (Angenommen normal zur Richtung, in die die Photonen einfallen) - zB verdoppeln die Sammelfläche und die Rate geht bis zu 2 Photonen/Sek. Im Prinzip ist es ziemlich einfach, den Photonenfluss von einer (Punkt-)Quelle in einer bestimmten Entfernung zu berechnen. Tatsächlich ist hier eine gute Heuristik. 10.000 Photonen der Wellenlänge 5000 Angström (pro Angström) passieren jeden Quadratzentimeter von einem A-Stern der Größe 0 jede Sekunde an der Spitze der Atmosphäre. Now the HUDF detected distant galaxies of (B) mag 30, so how many photons from such a distant galaxy did it collect (assume an integrated collection time of 1 million secs)? What other assumptions do you need to make to get a simple answer?

Hmmm, maybe i was asking how many photon could dande on the head of a pin?

I was trying to think more about what I meant. I know that photons have this measurement of wavelength that is the only relevant "size" measurement of a photon. And if I remember correctly from a million years ago (when I studied this stuff), this would affect what type of matter a photon would be likely to interact with, but now I'm confusing myself. Isn't most photon/matter interaction basically a photon hitting an electron (most of the time)? Can a photon of any wavelength interact with an electron?

So, I was thinking about maybe my question was on the size of a detector . not the whole detector, but the individual detecting units. But if all of our photon detectors are based around a photon interacting with an electron, then the size of the surrounding "machinery" doesn't really seem relevant anymore.

Maybe I was really asking then what the theoretical maximum number of parallel photons is that could strike a detector at "the same time". Of course, I realize again this is probably meaningless since in any practicle sense since our ability to detect this at all is limited by detector size. Though maybe there's a theortical answer in there? Near inifinite?

I think I've managed to totally confuse myself now, and probably lost any question I might have had. But here, I'll come up with one at the end maybe that to me seems related.

Can two photons travel in parallel and occurpy the same space at the same time, and if so what does this mean? Or if they get "close enough" do they automatically join to become one higher energy photon? And would there be any way to even theoretically tell this experimentally?

The grand unification of physics will have dramatic impacts in many areas of science. Nowhere will the impacts be greater than for astronomy, astrophysics, & cosmology.

The grand unification theory called, &ldquothe Ball-of-Light Particle Model,&rdquo predicts a number of things with regard to astronomy.

First, elementary particles are spherical standing waves of electric, magnetic, and gravitational fields &mdash spheres of photons &mdash balls of light. This means &mdash fundamentally &mdash everything is either a moving photon, or a standing wave made of photons.

Second, it agrees with Einstein's idea of mass/energy equivalence. Mass can be converted to energy, and energy can be converted into mass. However, if the Ball-of-Light Particle Model is correct, there is no limit to the size of elementary particles &mdash other than all of the mass & energy in the universe. Let me absolutely clear &mdash there is no limit to the size of elementary particles.

Particle physicists believe elementary particles are things like: electrons, protons, & neutrinos. They believe atomic nuclei are collections of smaller elementary particles. The Ball-of-Light Particle predicts atomic nuclei are actually single particles &mdash in essence, &ldquoelementary&rdquo particles. As the size of elementary particles increase in size, they become less stable. However, it appears it is possible to have stable, spherical elementary particles that are magnitudes larger than imagined by physicists and astronomers. The Ball-of-Light Particle predicts stars are nothing more than giant atoms. The core of a star is a single particle. For example, when a star has a nova event and blows away its outer plasma envelope, a white dwarf is exposed. Contrary to standard theory, the Ball-of-Light Particle predicts a white dwarf is actually a single elementary particle &mdash in essence, the core of the star.

The Ball-of-Light Particle predicts the objects called, &ldquoBlack Holes&rdquo are not infinitely small, and infinitely dense. It appears that objects like white dwarfs, neutron stars, pulsars, black holes, etc, are actually elementary particles &mdash and they have maximum density. If correct, the Ball-of-Light Particle Model predicts that a wide number of theories in astronomy are completely wrong. Keep in mind the theory of black holes is just that, a theory. The same can be said of the standard model for how stars work.

Even the Big Bang theory will change. In essence, it appears the universe exploded &mdash not from an infinitely small singularity &mdash but from one, single, massive ball-of-light that contain all of the mass & energy of the universe. That particle &mdash that was the GOD particle!

Over the years, I have been developing an entire new type of astronomy — one that is based upon the grand unification of physics. This page will have the main links for this new type of astronomy.

Hello, my name is John Nordberg. Welcome to my site. It is a very old website going through some growing pains. I hope you enjoy my vision of time, the grand unification of physics, the solution to fusion energy, a new solution for getting fresh water in hot deserts, and a solution to global warming.

Bemerkungen

October 10, 2016 at 9:53 am

I won't argue with your calculations, but I always worry that articles like this put people off even starting. M31 is a very easy target and under my quite badly light-polluted skies I can still get a presentable image of with an hour's integration time. Yes my best shots of it have a few hours of exposure including at a 'dark site' but it is realistic for beginners to get a satisfying image in a relatively short session under 'urban fringe' skies.

My skies are usually 18-19 I have managed to get a recognisable and colourful image of M74, the faintest Messier galaxy, with about 45 minutes exposure. Yes it is noisy, but that is with it in the edge of the visible yellow fug of light pollution.

Darks skies unarguably mean much better images, faster, but please don't put beginners off having a go in their own backyard. When you're starting every image of a galaxy is a fantastic achievement.

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Jerry Lodriguss Post Author

October 10, 2016 at 4:19 pm

Great point, thanks for your comments!

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October 12, 2016 at 5:09 pm

nice article although I am a bit wary of the generic statement "less contrast / brighter sky needs to be compensated by more exposure time". Most explanations I saw didn't really address the reason for this or gave as reason that it forces shorter exposure times to avoid sky saturation.

This confused me for a while into thinking the only issue is the added read noise due to splitting up exposures. When in actuality the dominant problem is likely that the bright sky itself adds shot noise without increasing signal (because if it were just an added brightness offset due to reduced contrast it would be easy to subtract from the stack with no adverse effect on quality).

I know you addressed signal / noise in a previous post but I think it is worth spelling out what it means in this context. Of course read noise is relevant too especially with an uncooled camera. My mount doesn't track too well so I do mostly very short exposure stacks that are not limited by sky brightness. I would expect under same sky conditions the only detrimental effect of shortening individual exposures (for same total integration time) is read noise. Unfortunately read noise is also more significant when exposure time is short and signal thus low.

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Jerry Lodriguss Post Author

October 15, 2016 at 2:13 pm

Thermal signal noise can also come into play with older cameras used under higher ambient temperatures.

I intentionally wanted to stay away from the complicated mathematical formulas needed to incorporate all of these noise terms because most people don't understand them, and only want a simple rule-of-thumb.

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February 8, 2018 at 7:32 pm

Hi Jerry
All very interesting and thanks for the article.
I'm wondering how does all this change or not, if from the suburban backyard you use light pollution or narrowband filters. With filters do you still need tens of hours from the backyard or do filters effectively put you in a dark site even though you are not?
Cheers Richard