Masse und Impuls eines Photons

Allgemein

Das Photon hat aus dem Massenerhaltungssatz folgernd eine Masse, auch wenn es nach Einstein keine Ruhemasse besitzt. Dementsprechend gilt nach der Äquivalenz von Raum und Zeit, dass Masse und Impuls äquivalent sind. Also hat ein Photon auch einen Impuls. Dieser entspricht der Elementarmasse multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit. Dieses gilt für die Elementarfrequenz. Ansonsten kann man die Masse eines Photons mit m = h * f / c² berechnen. Frustfrei lernen und die Uni Ulm haben das aufgrund dieser Gleichung, für die auch ich immer gekämpft habe, ausgerechnet und kommen auf einen Wert für ein durchschnittliches Photon von:

m(Photon) = 10^-36 kg

Der Impuls ist entsprechend p = h * f / c = m * c:

p(Photon) = 10^-28 kg * m / sec

Da virtuelle Massen, etc... oder keinen Impuls anzunehmen wäre falsch. Das zeigt auch die Quantentheorie. Bei der Heisenbergschen Unschärferelation wird angenommen, dass selbst wenn man ein Versuchsobjekt mit einem Photon beschießt, dieses die Messung unscharf macht. Das rührt daher, dass das Photon mit seiner Masse und seinem Impuls das Versuchsobjekt verschiebt, so dass man den Ort nicht mehr genau bestimmen kann.

Masse und Ruhemasse des Photons

Manche Wissenschaftler sagen, das Photon besäße keine Masse, weil es keine Ruhemasse hat. Die Ruhemasse ist nur ein theoretischer Begriff von Einstein eingeführt, der sich definiert als m(0) = m * relativistische Wurzel (= Wurzel aus (1 - v² / c²)). Die Ruhemasse ist der Kunstbegriff. Er beschreibt, so die Theorie, den Wert, den ein Teilchen annimmt, wenn es absolut in Ruhe wäre. Da nach der Relativitätstheorie nichts in absoluter Ruhe vorkommt, ist er nur theoretischer Natur. Aber wie gesagt: Die Ruhemasse ist der Kunstbegriff, die eigentliche Masse hängt von ihr nach oben genannter Formel ab. Die Ruhemasse des Photon ist nach Einstein 0. Dennoch hat das Photon eine wahre Masse, die größer 0 ist. Das nehmen auch andere an, nennen sie aber relativistische oder kinetische Masse. Das erinnert ein bisschen an Lorentz, einem der Mitbegründer der Relativitätstheorie, der von longitudinaler und transversaler Masse des Elektron spricht. Heute ist man sicher und spricht auch nur noch von der Masse des Elektrons.

Masse des Photons nicht definiert?

Früher sprach man davon, dass das Photon eine nicht definierte Masse hat, da ja nach dem Zusammenhang von Masse und Ruhemasse durch null geteilt wird. m = m(0) / relativistische Wurzel. Da beides für das Photon gegen null tendiert, bzw. auch Null wird, nahm man an, dass die Masse des Photons nicht definiert sei. Dass man aber die Division durch null definieren kann, kann man hier nachlesen unter Division durch null. Auch könnte man sagen, wenn man dieses ausklammert, dass der Grenzwert gegen null tendiert, der Term aber 1 wird, was der Elementarmasse entspricht. Dies liegt daran, dass sowohl Ruhemasse als auch die relativistische Wurzel gegen null tendieren und dieses gleichmäßig. Warum in der neueren Literatur diese Frage ausgeklammert wird und per se behauptet wird das Photon habe keine Masse, ist mir schleierhaft. So einfach ist die Beantwortung dieser Frage nicht.

Photon und Gravitation

Nach Einstein unterliegt das Photon, also Sonnenstrahlen der Gravitation. So bewies er die Ablenkung der Sonnenstrahlen während einer Sonnenfinsternis, bei der der Mond sich vor die Sonne schiebt. Die Strahlen, die dennoch vorbei kamen, die Sonne bildet dann einen Kranz am Himmel, wurden genauso abgelenkt, wie er es berechnet hatte. Auch das nehme ich als Indiz dafür, dass das Photon eine Masse hat. Masselose Teilchen unterliegen nicht der Gravitation, auch wenn Einstein Gravitation eher als Krümmung der Raum-Zeit definiert und von der Masse losgelöst betrachtet. Dennoch gehört zu jeder Kraft, wie es die Gravitation ist, nach F = m * a eine Masse, die beschleunigt oder in diesem Fall abgelenkt wird. Ohne diese Masse wäre auch die Kraft 0 und somit nicht existent. Oder wenn man die Kraft annimmt, wäre bei einer Masse von null die Beschleunigung unendlich, was natürlich nicht der Fall ist. Man sollte bei Einsteins neuen aufregenden Gleichungen nicht vergessen, dass es wohl geformte Definitionen gibt, die man nicht einfach negieren kann.

Der Beweis

Ja, es glaubt mir nicht jeder meine neue Mathematik wie unter Division durch null und Komplexe Zahlen, also bin ich gezwungen, es mit herkömmlichen mathematischen Mitteln zu beweisen. Wie unter dem Aufsatz relativistische Wurzel gezeigt, kann man diese ganz einfach durch die mehrere Orte überstreichende Geschwindigkeit v(rot) / c ersetzen. Diese ist dann wieder gleich dem Zeitfluß T(0) / T. Also ergibt sich: m(Photon) = m(0) / v(rot) / c oder m(Photon) = m(0) / (T(0) / T * c). Ich lasse nach dem Einheitssystem jetzt mal c als eins weg, mathematisch ändert sich da nix. Dann gucken wir uns den Term an m(Photon) = m(0) / Zeitfluß. Und zwar in Abhängigkeit von v. Für limes(v -> c) nimmt die Ruhemasse m(0) ab, bis sie bei c null wird nach bisheriger Mathematik. Genauso nimmt der Zeitfluß ab, die Dinge bewegen sich immer langsamer bis er null wird. Beide Funktionen sind für limes(v->c) streng monoton fallend. Für Überlichtgeschwindigkeit, also limes (v -> unendlich) geht die Funktion in den imaginären Bereich, wie von Einstein und Minkowski propheziehen. Hier müsste sie nun entweder weiter fallen oder steigen, aber keinen Wendepunkt beinhalten, um den Satz von L'Hospital anwenden zu können. Nach diesem ist der Grenzwert 0 / 0 dann definiert, wenn der Grenzwert für eine Ableitung, sei es die erste oder auch zweite definiert ist. Für Überlichtgeschwindigkeit wird die Ruhemasse m(0) negativ, der Zeitfluß imaginär. Das alles hilft aber noch nicht wirklich, heute hatte ich die zündende Idee. Und im Nachhinein stellt es sich so dar, dass die Frage nie war, ob ein Photon keine Masse hat oder doch. Die Frage nach Einstein war, warum hat das Photon nach E=mc² eine Masse, wenn 0 durch 0 geteilt wird. Ich danke dem anonymen Hinweisgeber hier, der auf den Satz von L'Hospital hingewiesen hat, auch mein alter Schulfreund Schaper, ihr kennt ihn von der aufgeblasenen Menge und der Division durch null, hat mich auf diese Spur gebracht.

Letztlich quadrieren wir die Einstein Masse-Ruhemasse-Beziehung. Dann haben wir m² = m(0) ² / (1 - v² / c²), weil die Wurzel unten weg fällt. Jetzt leiten wir zweimal nach v ab, weil ja nach L'Hospital der Grenzwert von 0 / 0 dann gegeben ist, wenn die Ableitungen einen Grenzwert haben. Unten sehen wir ergibt das dann - 2 / c². Also definitiv ein reelle Zahl. Für den Ausdruck oben brauchen wir dann noch etwas Physik. Man muss die Einstein Energie-Impuls-Gleichung erstmal vereinfachen. Dann heißt sie m(0)² * c^4 + c² * p² = m² * c^4. Das heißt die Ruhemasse ist gegeben durch den Term m(0) = sqrt(m² - p² / c²).

Da wir ja in unserem Beweis quadriert haben, ergibt sich somit für den Zähler m² - p² / c². Dass der Nenner gegen eine negative Zahl in der zweiten Ableitung tendiert, hatten wir ja schon bewiesen. Diesen Ausdruck für die Ruhemasse multiplizieren wir jetzt mit c^4. (Keine Angst die c^4 verändern das grundsätzliche Ergebnis im Nenner nicht. Dann ist der Zähler m² * c^4- p² * c². Nach E=mc² ist das dann E² - c²p². So jetzt wenden wir auf den Ausdruck 2 * L'Hospital an. E ist in diesem Sinne gleich mc² und damit von v nicht abhängig, also fällt es als Konstante weg. -c² * p² hängt aber von v ab. Heraus kommt beim zweimal Ableiten nach v: -2 * m² * c². Hier hätte ich eigentlich abgebrochen, weil ich wieder m habe und das könnte ja nach bisheriger Logik auch null sein, so dass der Ausdruck auch nach L'Hospital gegen 0 tendieren würde. Letztlich hindert mich aber niemand, auch auf die abgeleiteten Formeln Physik anzuwenden. Im ersten Beweis habe ich dann noch kompliziert die Energie-Impuls Gleichung angewandt und es damit bewiesen. Ich könnte es auch vereinfachen mit E=mc² und das tue ich jetzt hier auch. Letztlich entspricht dann dieser Ausdruck -2 E² / c². Da aber ein Photon definitiv eine Energie hat nach E = h * f, kommt auch hier ein negativer reeller Wert heraus. So tendiert der Ausdruck 0 / 0 für die quadrierte Masse - Ruhemasse Beziehung, wenn die Geschwindigkeit gegen die Lichtgeschwindigkeit geht, gegen einen positiven reellen Wert. Wenn aber m² ein positiver reeller Wert ist, dann ist m ein positiver reeller Wert oder auch ein negativer reeller Wert, in beiden Fällen aber auf jeden Fall von 0 verschieden. Da negative Massen in der bisherigen Physik keinen Sinn machen, gilt, dass die Masse eine Photons ein positiv reeller Wert ist, die Elementarmasse. q.e.d.

Nachtrag

Selbst wenn man die Gleichungen von Wikipedia nimmt, die ich ausdrücklich für falsch halte und die darauf beruhen, dass in einem Buch von Einstein er später in seinem Leben eine 0 beim m vergessen hat (oder derjenige, der die Gleichungen aufgenommen hat, zu der Zeit hat Einstein bestimmt nicht mehr selbst geschrieben), hätte ich nur einen negativen E(kin) Term mehr im Zähler, welcher bei der zweiten Ableitung zu einer negativen Zahl wird. Also verändert das den Beweis nicht. Allerdings ist festzuhalten, dass eine Gesamtenergie größer mc² keinen Sinn macht. Wer so was behauptet, hat die Relativitätstheorie nicht verstanden, insbesondere die Äquivalenz von Raum und Zeit.

Ruhemasse des Photons

Da die Leute im Internet jetzt behaupten, dass es immer klar war, dass das Photon Masse hat und dass es darum bei Yang-Mills Theorie nicht ging, was, ich stelle das klar, so auf jeden Fall nicht stimmt, muss ich jetzt ganz tief in die Trickkiste greifen. Es geht um nicht weniger als zu beweisen, dass das Photon auch Ruhemasse hat. Letztlich kommt man mit der Wurzel 0 Betrachtung so nicht weiter, da sie nach normaler mathematischer Auffassung gleich 0 ist. Bei der Division durch null und bei den Komplexe Zahlen habe ich gezeigt, dass das Rechnen mit Null noch jedenfalls Überraschungen bietet. Aber dieses Problem können wir umschiffen.

Letztlich bleibt es dabei, dass m_0 = m * Wurzel(1 - v²/c²) ist. Jetzt ist es aber so, dass die relativistische Wurzel auch dem verglichenen Zeitfluß entspricht, also T' / T ist: Es gilt T' = T * Wurzel(1 - v²/c²). Jetzt behauptet man immer, dass bei Lichtgeschwindigkeit die Zeit still steht, weil hier der Term Wurzel aus 0 wird. T' bedeutet hier die Zeit die im mit bewegten System vergangen ist, in diesem Fall des Photons also bei Lichtgeschwindigkeit.

Jetzt besinnen wir uns zurück wie Zeit überhaupt gemessen wird: Es wird als Zittern von Atomen gemessen, also als Frequenz. Aufgrund seiner Frequenz nach E = hf zittert das Photon aber auch in diesem Sinne. Das heißt, es wäre möglich mit der Frequenz des Photons die Zeit zu messen. Also haben wir hier auch Zeitfluß im Sinne Einsteins. Man muss zum konkreten Ausrechnen die Frequenz der Atome bestimmen, mit denen wir die Zeit messen und hier einen Quotienten bilden mit der Frequenz des Lichtes.

Damit haben wir eine Zahl für den Gammafaktor, die relativistische Wurzel. Da aus diesen Überlegungen die relativistische Wurzel nicht 0 ist für das Photon, und da wir schon nachgewiesen haben, dass das Photon auch Masse hat, bedeutet das: Das Photon hat auch Ruhemasse. Welche weitreichenden mathematischen Konsequenzen das hat, kann noch nicht überblickt werden.

Ladung des Photons?

Noch offen ist die Frage nach der Ladung des Photons. Einstein sprach immer von Photonenpaaren, um diese Frage zu umgehen. Letztlich häufen sich die Anzeigen, dass das Photon doch nicht so ein stabiles Teilchen ist wie man denkt. Wir haben zwar noch keine Halbwertszeit ausgerechnet, aber der Zerfall von Photonen wird nicht mehr ausgeschlossen. Auch schließt die absolute Theorie die Ladung der Photonen nicht aus. Schon aus der Betrachtung der Elementarmasse hat sich ergeben, dass das Photon zwar ein Quant des Lichtes ist, aber kein Massenquant. Dementsprechend besteht auch das Photon noch aus kleineren Teilen. Die Frage ist jetzt, was man alles Photon nennt. Einstein ging dabei stark von sichtbarem Licht aus. Die Bezeichnung schwarzes Loch ergibt sich aus der Tatsache, dass die Lichtstärke (nicht die Strahlungsstärke!) null wird ab einer bestimmten Massengrenze. Hawking Strahlung gibt es dann aber immer noch. Die absolute Theorie sagt voraus, dass das, was wir als Hintergrundrauschen messen, in Wirklichkeit Hawking Strahlung vom schwarzen Loch in der Mitte unserer Galaxie, der Milchstraße, ist. Diese ist im Mikrowellenbereich und nicht sichtbar.

Nach diesen Betrachtungen ist es möglich, dass sich das neutral geladene Photonenpaar, aus zwei entgegen gesetzt geladenen Photonen besteht. Nach dem Ladungserhaltungssatz müsste die Ladung der beiden Teile dann auch gleich groß sein.

Links

Der @quantenwelt hat mich überzeugt, dass ich das Paper nicht in einem wissenschaftlichen Journal untergebracht bekomme, deswegen veröffentliche ich es jetzt hier: Phtotonenmasse