Gedankenexperiment Lichtdruck

SRMeister

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Hallo Leute,

was passiert eigentlich wenn Licht zwischen 2 Spiegeln hin-und-her wandert? Das es keine 100% reflektierenden Spiegel gibt ist klar aber immerhin kommt man mit bestimmten Metallen doch schon recht nah ran. Bei Silber ist es glaube bis über 99% bei bestimmten Wellenlängen. Dh. ein Photon würde ja, sagen wir mal, 100 mal reflektiert werden bevor es absorbiert wird.
Dabei gibt es bei jeder Reflektion an den Spiegel einen doppelten Impuls ab soweit ich weis. Das drückt die Spiegel auseinander, um so effektiver, je öfter jedes Photon reflektiert wird.
Angenommen es gäbe einen 100% reflektierenden Spiegel,oder man hat eine ausreichend starke Lichtquelle, so könnte man damit einen Spiegel in einem senkrechten Aufbau oben "schweben" lassen wenn sie sich außeinander drücken wie 2 Magnete die sich abstoßen.

Wurde so etwas schon mal in einem Experiment versucht oder hat jemand eine Rechnung wie Stark eine Lichtquelle sein müsste bei gegebenem Reflektionsgrad usw.?

Hoffe ihr könnt mir helfen!

Stefan
 

ispom

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Hallo Sanitätsrat Meister,
schön mal wieder von dir zu hören !

danke dafür, daß Du diese Frage gestellt hast, dieses Problem hat mich auch schon einmal umgetrieben, ohne daß mir jemand eine zufriedenstellende antwort darauf geben konnte,

lichtdrückende Grüße von Ispom
 

Toni

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"SR" = "synonym-rätselnd"?

Hi ispom,

"SR" heißt doch nicht "Sanitätsrat" sondern "Studienrat"! :eek:

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Hallo Stefan,

kannst Du unserem ansonsten lieben, netten, katergesichtigen ispom noch einmal für diesen Frevel verzeihen? :rolleyes: ;)


So, nun aber mal zum Thema! Deine Frage ...
Angenommen es gäbe einen 100% reflektierenden Spiegel,oder man hat eine ausreichend starke Lichtquelle, so könnte man damit einen Spiegel in einem senkrechten Aufbau oben "schweben" lassen wenn sie sich außeinander drücken wie 2 Magnete die sich abstoßen.

Wurde so etwas schon mal in einem Experiment versucht oder hat jemand eine Rechnung wie Stark eine Lichtquelle sein müsste bei gegebenem Reflektionsgrad usw.?
... kann ich eindeutig mit "Ja!" beantworten! :) Vor etlichen Jahren schon hatte ich im Fernsehen ein Experiment gesehen, wo man im Labor wie auch im Freien Versuche mit einer konischen, zur Mitte und nach unten hin spitz zulaufenden, hochgradig spiegelnden Metallscheibe anstellte, die an mittig an einem senkrechten Metallband angebracht war, und sie mittels Laser-Impulsen nach oben geschossen und zeitweilig in Schwebe gehalten wurde. Dieses Experiment diente der Erforschung neuartiger Antriebe für Satelliten und Raumkapseln, die man mit dieser Technik ins All zu befördern gedachte.

Ob man damit jedoch größere Lasten bewegen könnte, wie sie nun einmal Satelliten darstellen, bezweifelten sogar die daran beteiligten Ingenieure.

Ich hoffe, Stefan, Du meintest solche Art von Experimenten? Berechnungen kann ich Dir dazu allerdings keine anbieten.

Hoffentlich hilfreiche Laser-Grüße von
Toni
 

Orbit

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Hallo ispom
Hallo Sanitätsrat Meister
Also SR bedeutet 'Schweizer'. Und das weisst Du natürlich. Deshalb nehme ich an, dass Du offenbar farbenblind bist wie ich und nicht zwischen der Schweizer Flagge und jener der Sanität unterscheiden kannst.
Auch ich sehe in der deutschen Flagge lediglich drei Streifen. Und die erinnern mich an adidas. Und das wiederum an die grammatikalisch wohl leicht südosteuropäisch eingefärbte Interpretation dieser Buchstaben:
"Alle Deutschen immer denken an S.."
Nein, 'Sieg' ist nicht gemeint, sondern etwas noch Lustvolleres. :D
Gruss Orbit
 
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SirToby

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3 Gigawatt pro Kilo

Zitat von SRMeister
oder hat jemand eine Rechnung wie Stark eine Lichtquelle sein müsste

Hallo SRMeister,

du brauchst rund 3 Gigawatt Lichtleistung um 1kg in der Schwebe zu halten. Berechnungen zum Lichtdruck findest du unter Wikipedia mit dem Suchbegriff "Strahlungsdruck" Mit der Gleichsetzung der Energie eines Photons mit der Energie eines Massenäquivalentes läßt sich der Impuls eines Photons ausrechnen

E=h * ny ............ h = Plancksches Wirkungsquantum

E=m*c^2 ............ p=m*c

Einfacher und praktischer ist jedoch das Wellenmodell. Hier gibt es den Pointingschen Vektor der Strahlungsleistungdichte mit der Einheit Watt/Quadratmeter. Divididiert man die Strahlungsleistungsdichte durch die Strahlungsausbreitungsgeschindigkeit erhält man ganz einfach den Strahlungsdruck.

Strahlungsdruck=Strahlungslungsleistungsdichte/Lichtgeschwindigkeit

Integriert man anschließend über die gesamte Wirkungsfläche dann wird aus dem Strahlungsdruck eine Strahlungskraft und aus der Strahlungsleistungsdichte eine Strahlungsleistung (Einheit Watt)

Kraft=Strahlungsleistung/Lichtgeschwindigkeit

Möchtest du 1kg in der Schwebe halten dann berechnet sich die benötigte Lichtleistung zu

P=9,81 (Ws/m) * 3*10^8 (m/s)= 2,94 Gigawatt

Die Frage nach dem Reflexionsgrad eines Spiegels beantwortet sich dann fast von selbst. Wenn der Reflexionsgrad auch nur ein wenig von 100% abweicht, verdampft deine ganze Versuchsanordnung allein schon von der Verlustleistung. Auch die Stromrechnung möchte ich nicht bezahlen.

Gruß SirToby
 
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ispom

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danke, Sir Toby!
eine hochinteressante Rechnung!

lichtdrückende Grüße von ispom
 

SRMeister

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Hallöchen ispom, Tony, Orbit und SirToby !
Danke erstmal für die Antworten :)

Also auf was ihr alles so kommt bezüglich meines Namens erstaunt mich aber! Leider bin ich weder Schweizer, noch Studienrat oder Sanitätsrat. SR steht für .... ach nein, dazu später mehr!

Von dem Experiment mit den Laserpulsen habe ich schonmal gehört. Es ist mir gestern bei meinen Überlegungen gar nicht eingefallen.

Gibt es denn überhaupt einen 100% Spiegel? Ich meine es treten immer (Wärme)Verluste auf oder?
Das was mir nur dabei Spanisch vorkommt ist, dass ein einzelnes Photon dann ja eigentlich unendlich viel Energie abgibt, es wandert ja immer weiter. Ich denke da immer an Perpetuum Mobile. Ich denke mal ich habe irgendwo etwas übersehen oder? Ein einzelnes Photon kann ja schließlich nicht "unendlich" Energie abzugeben. Oder ist es überhaupt soetwas wie Energie wenn es einen Impuls überträgt?

Ich hoffe ich habe mich einigermaßen verständlich ausgedrückt :)

Mit nachdenklichen Grüßen,
Stefan R. Meister
 

Orbit

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Auch meinerseits ein grosses Dankeschön an SirToby!
Ihr habt schon richtig geraten, wenn ihr angenommen habt, dass ich mal ein wenig mit ispom rumgeblödelt hab, weil ich die Antwort nicht wusste.

@ SRMeister: Beim Perpetuum mobile allerdings, das mir da beim Lesen Deiner Eingangsfrage auch kurz vorüber zu huschen schien, schüttelte mein Kopf schon damals das Haupt. Wie wär's, wenn das Photon bei jeder Reflexion ein wenig Energie abgäbe bis zur letzten Portion, die mindestens noch so gross wie das Plancksche Wirkungsquantum h sein müsste?
Gruss Orbit
 

SirToby

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von SRMeister
Gibt es denn überhaupt einen 100% Spiegel? Ich meine es treten immer (Wärme)Verluste auf oder?
Das was mir nur dabei Spanisch vorkommt ist, dass ein einzelnes Photon dann ja eigentlich unendlich viel Energie abgibt, es wandert ja immer weiter. Ich denke da immer an Perpetuum Mobile. Ich denke mal ich habe irgendwo etwas übersehen oder? Ein einzelnes Photon kann ja schließlich nicht "unendlich" Energie abzugeben. Oder ist es überhaupt soetwas wie Energie wenn es einen Impuls überträgt?

Hallo SRMeister, hallo Orbit,

ein einzelnes Photon hat nur endlich viel Energie. Seine Energie bereichnet sich aus dem Planckschen Wirkungsquantum mal die Frequenz des Lichtes. Somit ist mit der Farbe des Lichts auch schon der Energieinhalt eines Photons bestimmt. Wenn ein Photon nun an einem Spiegel reflektiert wird, so bleibt seine Bewegungsenergie zunächst voll erhalten, nur die Richtung ändert sich.

Wenn nun dein Spiegel nur 99% reflektiert bedeutet das, dass jedes 100. Photon vom Spiegel "aufgefressen" als in Wärme verwandelt wird. Es ist verloren. Die anderen 99 behalten ihre Energie.

Im gedanklichen Experiment willst du aber den Spiegel bewegen: Dann wird ein klitzekleiner Teil der Bewegungsenergie des Photons beim Reflexionsvorgang in Bewegungsenergie des Spiegels verwandelt, der überwiegende Rest bleibt im Photon erhalten und kann für nachfolgende Reflexionsvorgänge nach und nach aufgezehrt werden. Das hat auch Orbit schon richtig vermutet. Der Anteil der Bewegungsenergie, die auf den Spiegel übergeht berechnet sich überschlagsmässig aus dem Verhältnis relatistischer Photonenmasse:Spiegelmasse.

In letzter Konsequenz bedeutet das, dass die relativistische Photonenmasse nach jedem Reflexionsvorgang kleiner wird. Dies ist gleichbedeutend mit einer Abnahme der Frequenz. Die Beschleunigungswirkung auf den Spiegel hält solange an, wie er für die beteiligten Wellenlängen noch ein Spiegel ist. Spätestens wenn die Wellenlängen die Spiegelabmessungen überschreiten, gibt es keine Reflexionen mehr.

In einer praktischen Ausführung würden aber die Absorptionsverluste die Energie schneller aufzehren, als dass es zu nenneswerten Spektralverschiebungen infolge von Mehrfachreflexionen käme.

Sollte wirklich einmal ein Antrieb auf dieser Basis aufgebaut werden (man sollte niemals nie sagen), dann kann man nur noch dafür sorgen, dass die enormen Verlustleistungen möglichst schnell unschädlich gemacht werden. Ein einfacher Rückstoß der relativistischen Photonenmasse als Stützmasse ist alles was man ausnutzen könnte. Spiegel verdampfen alle.

Schaut man sich klassische Stautrahltriebwerke an, dann wird in der Startphase auch auf den Bodenabstützungseffekt verzichtet. Der Strahldruck wird an der Startrampe seitlich abgelenkt.

Gruß SirToby
 

SirToby

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Hundertprozentiger Spiegel

Hallo Orbit,

das ist ja ein wirklich hochinteressanter Artikel. Damit muß die Frage von SRMeister, ob es 100%ige Spiegel gibt mit "Ja" beantwortet werden. Supraleitende Spiegel arbeiten verlustlos. Bin überhaupt gespannt, wann es den ersten Quantencomputer gibt. Aber das ist ein anderes Thema.

Vielen Dank

SirToby
 

SRMeister

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Hallo,
also jetzt ist mir einiges klar gewurden! Ich habe mir ja schon gedacht, dass das Photon die Energie irgendwo hernehmen muss.Dass dabei die Frequenz herhalten muss ist nur logisch nach der Formel E = h*f
Das ist soweit ich weis der gleiche Effekt der auch auftritt wenn Licht von einer großen Masse Angezogen wird, da es nicht schneller werden kann erhöht sich eben die Frequenz.
Dabei stellt sich aber eine neue Frage: soweit ich weis gibt es kein "Gerät" womit man die Wellenlänge einer Lichtquelle verändern kann aber mit so einem Niob Spiegel wie in dem Artikel könnte sowas dann ja doch möglich werden?
Die Anwendung wäre das man hochenergetische Strahlung "heruntertransformieren" kann in den optischen bereich, zB bei Teleskopen wäre es vllt sinnvoll ! Technologie der Zukunft :)
Aber nach dem Prinzip kann man die Frequenz nur senken oder gibt es auch prinzipiell eine Möglichkeit das Photon "zu beschleunigen" also seine Frequenz zu erhöhen.
 

SirToby

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Alles ist möglich

Hallo SRMeister,

deine Frage ist eher was für Lasertechniker. Im Prinzip ist mit lasergepumpten Lasern alles möglich. Insbesondere sind die von dir ansprochenen Transformationen möglich. Allerdings ist der Ausdruck "beschleunigen" hier fehl am Platze, da Photonen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Informiere dich einfach bei Wikipedia über "Laser" und insbesondere über "Farbstofflaser".

Deine Mutmaßungen über Anwendungen bei Teleskopen treffen eher nicht zu, zumal hier Sensoren in allen beherrschten Frequenzbereichen verfügbar sind. Es gibt Infrarot-, Ultraviolett und sogar Röntgenteleskope. Sogar Gammastrahlen können mit Richtungsauflösung detektiert werden.

Gruß SirToby
 

SRMeister

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Hallo Sir Toby,

ich hatte den begriff "beschleunigen" nur zur veranschaulichung verwendet, mir ist schon klar das Licht immer mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist. Stelle dir vor ein Lichtstrahl kommt an einem Schwarzen Loch vorbei. Der Strahl folgt der Raumkrümmung, das ist klar. Die Photonen werden vom schwarzen Loch angezogen und, da sie nicht beschleunigen können, erhöht sich ihre Frequenz während sie in Richtung den S.L unterwegs sind und nachdem sie dessen Umgebung passiert haben und sich davon weg bewegen werden sie "gebremst". Nicht die Geschwindigkeit verändert sich sondern die Wellenlänge. Ich denke aber man darf die Analogier schon so verwenden, denn wenn ich mich mit immer höherer Geschwindigkeit auf eine Lichtquelle zubewege, erhöht sich deren Frequenz zwar für mich aber nur aufgrund meiner eigenen Geschwindigkeit. Für einen ruhenden Beobachter ändert sich die Frequenz nicht, dafür treffen die Photonen bei ihm zu einem anderen Zeitpunkt ein.
Letztendlich ist es eine Sache des Beobachters mit welcher Frequenz man die Photonen wahrnimmt, nur die Lichtgeschwindigkeit bleibt für jeden konstant.

{
Da eine Änderung der Frequenz also mit einer Änderung der quantitativen "Wahrnehmung" des Lichtes einhergeht und nicht mit einer Änderung des Lichtes in seinen qualitativen Eigenschaften selber(c=konst;Photon bleibt Photon egal welches Bezugssystem), stellt sich mir hier die Frage ob sich hinter dem oben genannten Spiegelexperiment nicht in Wahrheit eine Änderung in der Raumstruktur steckt, ein Kraftfeld, die die beiden Spiegel auseinander drückt und die Frequenz verändert. Ähnlich wie bei einem Plattenkondensator die Platten sich anziehen oder abstoßen.
}
Das in Klammern geschriebene ist nur ein Gedanke der mir kam. Ich bitte euch das jetzt nicht ZU ernst zu nehmen und mich gleich mit Gegenargumenten totzureden, ich bin mir bewusst dass es wohl nicht allgemeine Lehrmeinung sein dürfte! Nur vllt. fällt dem ein oder anderen doch etwas dazu ein!
 

SRMeister

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Hallo Sir Toby,

ich habe mich, zugegebenermaßen flüchtig, mit dem Farbstofflaser auseinandergesetzt. Mir ist dabei aber aufgefallen dass dabei nirgendwo Frequenzen "Verändert" werden, lediglich werden von einer Anzahl vorher definierter Farben bestimmte ausgewählt, wass zwar eine Auswahlmöglichkeit aus einem kontinuierlichen Spektrum suggeriert, jedoch müssen alle Farben vorher in Form von Farbstoffen in den Laser gebracht werden. Also letzten Endes ist keine kontinuierliche, Stufenlose, Farbauswahl möglich. Das bekräftigt meine Vermutung dass eine solche Lichtquelle nicht existiert, bzw. dass es keine frequenzmodifizierenden Geräte gibt,so wie ich sie meinte.
 
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