Spridning av ljus?

Varför kan man inte skapa en ljusstråle eller en laserstråle där fotonerna går i exakt samma riktning? Då borde väl inte ljuspunkten bli större men svagare med ökande avstånd?

Hade det varit möjligt att kunna skapa en sådan laserstråle t.e.x. i framtiden med modernare teknik där man kan få en perfekt liten ljusstråle även på extrema avstånd?

För att låta dum, men är inte det ungefär så en laserpekare fungerar?

Hur kan man ställa frågan och ge svaret, men inte förstå det!?

Jo, men t.e.x. så finns det ju typ tre speglar på månen för att mäta avståndet från jorden med hjälp av laser, och det är ju inte många fotoner som kommer tillbaka till mätinsrumenten på jorden, så även med laser så måste ju spridningen vara stor bara mellan månen och jorden.

På långa avstånd så är en laserstråle lika koncentrerad som en majbrasa. Varför kan jag inte sätta en spegel på månen och få en röd punkt tillbaka på jorden utan en jättespridning av ljuset?

Varför måste ljuset spridas? Kan man inte få fotonerna att gå pararellt med varandra, så att punkten blir näst intill densamma, oavsett avstånd? Det var det som var min frågeställning.

Att laserstrålen divergerar "snabbt" (5, 10, 50 m beroende på kvalitet) är på grund av att komponenterna i pekaren är för dåliga.

Det du vill uppnå i din trådstart är perfekt kollimering, ett sätt att ordna strålarna så att de riktas "parallellt" med varandra, som du beskriver. Det är alltså detta en laserpekare utnyttjar.

Men perfekt kollimering, där fokus ligger "i oändligheten", är endast en teoretisk genväg som tas ibland för vissa praktiska syften, och är egentligen inte möjligt att uppnå pga diffraktion.

Jag vet inte om avståndet till månen är tillräckligt litet för att inte räknas som "oändligheten" i relation till dagens instrument, och därmed undvika diffraktionen, men antagligen så kan man i framtiden i alla fall få bättre resultat än i dagsläget.

Nej, det är omöjligt även med laser och det är pga kvantfysik, närmare bestämt Heissenbergs osäkerhetsrelation. Denna säger att för var och en av de tre rumsdimensionerna så har man relationen
Δx Δp ≥ ħ/2
där ħ=h/(2π), h är Plancks konstant, Δx är standardavvikelsen för positionen i x-riktningen vid en mätning, Δp är standardavvikelsen för rörelsemängd i samma riktning. Remember, enligt kvantfysik bestäms allting av vågfunktioner och från dessa kan man som regel bara beräkna sannolikheter, och inte förutsäga exakta utfall! Och detta är fundamentalt. Matematiskt beskrivs detta exakt i Fourieranalys i relationen mellan standardavvikelsen för en klockformad kurva i x-rummet och standardavvikelsen i k-rummet (motsvarande p-rummet). Dvs Heissenbergs relation är inget annat än en nödvändig konsekvens av att partiklar kan beskrivas med vågfunktioner i kvantfysik.

Relationen gäller nu alltså även för riktningarna vinkelrätt mot fotonernas riktning! Så för att få exakt samma riktning framåt måste avvikelsen sidledes vara noll, dvs Δp=0, men i så fall måste Δx vara oändlig, dvs lasern måste vara oändligt bred!

En riktig laser har förstås en ändlig bredd, säg t ex
Δx = 1 mm.
Enligt relationen måste då
Δp ≥ ħ/(2Δx)
vinkelrätt mot strålen.

Om laserljuset har våglängden λ har fotonerna p = h/λ.
Den vinkelräta spridningen Δp ger då alltså en vinkelspridning (i radianer) på
Δφ = Δp/p ≥ ħ/(2Δx) • λ/h = λ/(4πΔx)

Så med t ex en argonlaser med λ=488 nm blir då
Δφ ≥ 3.9•10⁻⁵
Dvs ca 4 cm spridning på 1 km, vilket iofs är jäkligt bra, och antagligen mycket bättre än riktiga lasrar. Detta är den teoretiska gränsen. Men riktar man samma stråle mot månen har den spridit ut sig till 1.5 km!

Om man lyckas göra en laser som är 1 m bred blir träffytan på månen dock minst bara 1.5 m bredare... Fast siktar man på Mars...