Tiden hos en foton

Nej, fotoner färdas inte "upp och ned" i en vågformad rörelse. Fotoner färdas rakt framåt. Det som rör sig vågformat är alltså amplituderna hos det elektromagnetiska fältet, som varierar både i rummet och i tiden.

Man kan tänka sig en vikt som hänger fritt i en ideal fjäder. Om vi nu tar vikten och drar den nedåt en bit för att sedan släppa den kommer den att sättas i en harmonisk rörelse kring sitt jämviktsläge, alltså en sinusformad rörelse. I den rörelsen kommer energin hos vikten att variera mellan potentiell och kinetisk energi. En foton oscillerar på ett liknande sätt mellan två energier, fast där rör det sig istället om elektriska och magnetiska potentialer.

I fallet med gaser färdas ljuset med en långsammare nettofart eftersom fotonerna träffar på atomer/molekyler som var och en absorberar dem en liten stund för att sedan emittera nya i slumpmässiga riktningar (mellan atomerna rör sig fotonerna så klart med vakuumvärdet c).

I fasta material (som inte är amorfa) är atomerna bundna i en kristallstruktur, och det är egenskaperna hos denna struktur som bestämmer hur materialet växelverkar med inkommande fotoner. Dessa kristallstrukturer har vissa vibrationslägen som ibland kallas fononer; en slags pseudopartiklar som till viss del är analoga med fotoner i det att de är en partikelrepresentation av en vågrörelse. Om en inkommande foton har en energi som motsvarar energin hos ett sådant tillåtet vibrationsläge kan den absorberas och omvandlas till en fonon i kristallstrukturen, vilket bidrar till en uppvärmning av materialet som helhet. Om det inte finns något vibrationsläge som motsvarar fotonens energi, passerar den genom materialet, dock med en liten fördröjning som beror på att jonkärnorna i kristallstrukturen försätts i svängningsrörelse på grund av det inkommande tidsvarierande elektromagnetiska fältet (nu tänker vi oss alltså ljuset som ett fält och inte som fotoner. Det blir enklare att visualisera sig situationen så). Jonernas vibrerande genererar ett nytt EM-fält som är identiskt med det ursprungliga sånär som på en skillnad i fas, och detta fält i sin tur propagerar vidare till fler jonkärnor där processen upprepas. På så sätt transporteras ljuset/EM-fältets energi genom kristallstrukturen, och vid varje överföringstillfälle uppstår en liten fördröjning eftersom jonkärnorna är tunga och behöver lite tid på sig att sätta igång med vibrerandet. Detta är i korta drag orsaken till att ljus saktar ned i kristallina, fasta material.

När det gäller amorfa material som glas och vätskor kommer det till en del komplikationer eftersom dessa inte har någon storskalig, kontinuerlig kristallstruktur. Det kan dock ändå finnas lite ordning i materialet t.ex. i form av små, lokala polyedrar i fallet med glas. Dessa polyedrar bildar vad som i engelsk litteratur brukar kallas ett continous random network och det visar sig att detta, tillsammans med egenskaperna hos olika bindningstillstånd hos de ingående molekylerna är tillräckligt för att man ska kunna beskriva ett energigap hos glaset och på så sätt få en modell för hur ljus växelverkar med materialet. Egentligen lånar man här modeller från teorin för väluppfostrade kristallina material och inför diverse approximationer och antaganden. Det finns ingen snygg, enhetlig teori för amorfa material.

Jo, men det är viktigt att belysa att den sträcka som ljuset färdas inte är vågformad, vilket stuva verkade ha fått en uppfattning om.

Nej inte det jag menar, jag menar att kvantelektrodynamiken gör förutsägelsen att det finns en sannolikhet för en foton att färdas både snabbare och långsammare än c i vakuum. Denna sannolikheten är dock väldigt liten, och på längre sträckor så blir den helt försumbar. Men jo, en foton kan färdas snabbare än c.

Man har visat detta experimentellt genom att använda en laserpuls på 1 attosekund och skicka den till en detektor som var tillräckligt känslig för att mäta pulsen. Om alla fotoner färdades lika snabbt skulle detektorn mäta upp 1 attosekund, men den mätte upp mer än en attosekund, utanför felgränserna dessutom. Enda slutsatsen som kan dras är att alla fotoner inte färdas lika fort.

Ja, det jag skrev var inte menat att stå i kontrast till det du skrev, jag spann bara vidare på det.

Hmm, jo jag tror att precis så är fallet, åtminstone enligt min förståelse av den speciella relativitetsteorin.

För att begripa att ljuset rör sig oändligt fort så måste man acceptera två saker:

1) Upplevd tid är personlig, det finns ingen absolut tid
2) Rumtidens geometri är jäkligt skum (eller egentligen är det väl vår intuitiva upplevelse av rumtiden som är bakvänd)

Rumtiden har tre rumsdimensioner med vanlig hederlig euklidisk geometri, lättbegriplig för oss. T ex kan man räkna ut hypotenusan på en rätvinklig triangel med (längd)^2 = (x-avstånd)^2 + (y-avstånd)^2.

Hur är det då med tidsdimensionen? Den följer inte den euklidiska geometrin, en rätvinklig triangel med en katet i rummet och en i tiden får hypotenusan (rumtidsintervall)^2 = (tidsavstånd)^2 - (rumsavstånd)^2. Inget man ritar på ett papper direkt.

Om man tänker sig triangeln som en beskrivning av hur något rör sig i rumtiden från (0,0) till (tidsavstånd,rumsavstånd) så är "rumtidsintervallet", hypotenusan på triangeln den tid som detta något upplever när det ska ta sig mellan de två punkterna. Som man kan se så minskar mängden upplevd tid om tidsavståndet mellan två händelser minskar eller om rumsavståndet ökar, alltså om hastigheten ökar.

"Rumtidsintervallet" är ett smidigt mått i och med att det är något som alla observatörer kan enas om, för en viss uppsättning händelser kommer olika observatörer som rör sig på olika sätt i rumtiden att komma fram till olika tids- och rumsavstånd, men alla kommer att räkna ut samma rumtidsintervall. Det skulle faktiskt gå att modellera hela universums historia som händelser separerade av absoluta rumtidsintervall.

Vi upplever att tiden är något absolut och opersonligt, och det stämmer ju bra med att vi står (i stort sett) stilla i förhållande till vår omgivning:
(rumtidsintervall)^2 = (tidsavstånd)^2 - (0)^2 => rumtidsintervall = upplevd tid = tidsavstånd.

Ljuset rör sig oändligt fort. Det vill säga rumtidsintervallet, upplevd tid, mellan skapandet och förintandet av en ljuspartikel är 0:
(0)^2 = (tidsavstånd)^2 - (rumsavstånd)^2 => tidsavstånd = rumsavstånd.
Från alla observatörers synvinkel rör ljuset sig alltså med hastigheten 1 (hastighet är ju rum/tid).

En intressant grej med det här är att den upplevda tiden alltså minskar ju snabbare man rör sig, och att det är fullt möjligt om än aningen opraktiskt att t ex resa den 100.000 ljusår långa sträckan från den ena änden av Vintergatan till den andra på en (upplevd, personlig) sekund. Högenergipartiklar gör det hela tiden.

En ännu mer intressant men huvudvärksinducerande sak är att för att detta ska vara möjligt så måste föremål, som t ex Vintergatan, bli kortare ju snabbare man rör sig. Man kan inte röra sig snabbare än ljuset och alltså reste man, från sin egen synvinkel, mindre än en ljussekund trots att omgivningen påstår att man reste 100.000 ljusår...

Tackar!

Lånar dinn tråd..

Inget kan gå i ljusets hastighet,,,,,,, men ljuset då?

Bygg en farkost med en fotons egenskaper då borde det väll gå..

Ja ja,,,, det är en tanke jag inte kan släppa. Har tjata om det förr.

Inget med massa kan gå i ljusets hastighet. Så enkelt är det.

Är inte materia bara en sammansättning av elektoner/atomer/protoner,,,,,,,,,,,mm.

Elektoner/atomer/protoner.. vad innehåller dom..?

Och vad innehåller en foton..? och vart får den energin till farten utan att bli oändligt stor, och hur kan den behålla farten.


Förstår ni hur jag tänker,,,, blir snurrig av det

De innehåller samma sak, energi. Men när energi går från "ren" energi (som fotonen tar formen av) till materia så blir den påverkad av higgsfältet och kan således inte längre färdas i ljusets hastighet.