Svar:
Ali! Det var många svåra frågor. Låt oss börja med partikel-egenskaper. Jag tycker inte man skall föreställa sig en foton varken som en partikel eller en våg. En foton är en foton som lånat egenskaper både från partiklar och vågor.

Fotonens massa: Fotonen har energin E=hv. Eftersom energi och massa är ekvivalenta (E=mc²), så har fotonen massa. Man kan emellertid inte tala om fotonens vilomassa eftersom begreppet en stillastående foton saknar mening.

Experimentella bevis för att fotonen saknar vilomassa kommer bland annat från det faktum att den elektrostatiska kraften (Coulombs lag, som ju förklaras genom ett utbyte av virtuella fotoner) varierar som 1/r² En utbytespartikel med ändlig vilomassa hade givit ett annat avståndsberoende.

Se fråga [16939] för mer om historien bakom fotonbegreppet och länk 1 för en mer detaljerad framställning. Wikipedia-artikeln Photon är mycket bra, medan den svenska versionen är OK men inte särskilt omfattande: Foton.

Fotoner påverkas på två sätt av gravitationsfält:

1 Avböjning, t.ex. vid passage nära solen. Detta har behandlats ganska detaljerat i fråga [16021].

2 Gravitationell rödförskjutning.

Till skillnad från avböjning så kräver faktiskt en tillfredsställande behandling av gravitationell rödförskjutning bara enkel klassisk fysik och speciella relativitetsteorins E=mc². Börja med att studera den enkla animeringen under länk 2!

Den potentiella energin hos elektronerna i övre läget är (mgh)

2m_egH

Om vi förlänger med c² får vi

2m_ec²(gH/c²) = E_foton(gH/c²)

Vi får det relativa skiftet för höjdskillnaden 22.5 m (ref. ¹):

DE_foton/E_foton = gH/c² = 9.80322.5/(2.99810⁸)² = 2.454 10^-15

Det relativa skiftet har uppmätts (ref. ¹) med hjälp av mössbauerspektroskopi (se nedan) för 14.4 keV fotoner från ⁵⁷Co-sönderfall. Det uppmätta resultatet 2.451 10^-15 (med c:a 1% osäkerhet) är i bra överensstämmelse med detta.

Observera att det enda antagande vi gör är energins bevarande, vilket är en av fysikens grundläggande och mest etablerade lagar.

Observera även att man kan se skiftet till större våglängd (och därmed lägre frekvens) när fotonerna går uppåt är ekvivalent med att klockan går långsammare i ett starkare gravitationsfält.

Liknande experiment med hjälp av satelliter som sänder ut en mycket välbestämd frekvens har bekräftat Einsteins teori med en noggranhet bättre än 1 del på 10⁴.

Se vidare General_relativity, Gravitational_redshift och Pound-Rebka_experiment.

Se även http://fy.chalmers.se/~f1xjk/FysikaliskaPrinciper/FOREL.lp2/F16/F16.html

Mössbauerspektroskopi

Mössbauer-effekten är rekylfri emission och absorption av gammastrålning från atomkärnor. När en atomkärna utsänder ett gammakvantum förloras i en del av energin till kärnans rekyl liksom vid absorption i en absorberande kärna. Detta eftersom både energi och rörelsemängd måste bevaras i processen.

I mössbauereffekten elimineras förlusterna dels genom att de radioaktiva kärnorna sitter i en kristall som tar upp rekylen, så att emission och absorption kan ske vid samma energi och dels genom att man kan kompensera energiförlusten genom att låta den utsändande kärnan röra sig.

Eftersom rekylen är mycket liten räcker det med en mycket måttlig hastighet på några mm/sekund, se nedanstående bild där det lilla diagrammet är en plot av ett mössbauerspektrum med hastighet på den horisontella axeln och observerad intensitet på den vertikala. Dippen i spektrum reflekterar det exciterade tillståndets vidd DE. Vidden är relaterad till tillståndets livslängd enligt Heisenbergs obestämdhetsrelation:

DE·Dt = h / 4p ~ 10^-34 Js

Se vidare Mössbauer_spectroscopy och mössbauer-effekten. Se även fråga [14685].
____________________________________________________________

¹ Pound and Snider, Physical Review Letters Vol 13, 18 (1964) 539

/Peter E 2010-03-15

Svar:
Nej, det fungerar inte av flera skäl. Först teoretiskt: den kostar oändligt mycket energi att accelerera ett materiellt föremål till ljushastigheten. Föremålet blir nämligen oändligt tungt (relativistisk massa). Om föremålet fick upp farten skulle solstrålningen bli mindre och mindre effektiv dels för att den blir svagare (föremålet är längre bort) och för att det skulle bli rödförskjutet och därmed ge en mindre "puff".

Solsegel fungerar emellertid i princip, men eftersom de är ganska ineffektiva (se nedan) har de inte prioriterats av NASA. Se länk 1 för historik. Man gjorde ett försök för ett tag sedan med en satellit som hette NanoSail-D, men uppskjutningen misslyckades (länk 2).

Fördelen med solsegel är att man kan accelerera utan bränsle. Nackdelar är att de kan bara användas i det inre solsystemet (där solstrålningen är hög) och att man är bunden till att accelerera i stort sett i riktning från solen, dvs styrförmågan är mycket begränsad. Dessutom är det svårt att tillverka tillräckligt stadiga segel. Seglet väger en hel del eftersom det måste vara ganska stort.

Hur effektivt är ett solsegel?

Rörelsemängden för elektromagnetisk strålning ges av

p = E/c

där E är strålningens energi och c är ljushastigheten. Kraften som påverkar ett segel med ytan A ges av

F = dp/dt = (dE/dt)A/c

Effekten per ytenhet dE/dt är den s.k. solarkonstanten 1370 W/m² (instrålningen av solljus på jordens avstånd).

Vi kompletterar ovanstående uttryck med dels en faktor 2 eftersom ljuset speglas i seglet och alltså överlämnar rörelsemängden 2p. Vi inför även en verkningsgrad h för att ta hänsyn till om seglet inte är vinkerätt mot solstrålningen eller om seglet är krökt:

F = 2h(dE/dt)A/c

Accelerationen blir, om farkostens massa (inklusive seglet) är m och verkningsgraden 1:

a = F/m = 2(dE/dt)c^-1(A/m) = 21370(310⁸)^-1(A/m) =
= 9.110^-6(A/m) [Js^-1m^-2sm^-1m²kg^-1] = 9.110^-6(A/m) [m/s²]

Med massan m=1000 kg och segelytan A=10000 m² (100mX100m) får vi accelerationen

a = 9.110^-6(10000/1000) = 9.110^-5 (m/s)/s = 6060249.110^-5 (m/s)/dygn = 7.9 (m/s)/dygn

Med tanke på att hastigheter i solsystemet är av storleksordningen tiotals km/s så är detta en mycket liten acceleration. Det skulle t.ex. fordras 127 dagar för att ändra hastigheten med 1 km/s!

Nedan är en bild på NanoSail-D, se NanoSail-D.

/Peter E 2010-04-01

Svar:
Filippa! Jag skulle föredra att säga fördröjning, se fråga [171].

Ändringen i ljushastigheten i ett medium medför ljusbrytning (refraktion), se fråga [2417]. Brytningsindex n ges av c/v, där c är ljushastigheten i vakuum och v är ljusets hastighet i mediet (se fråga [16048]). Se Refractive_index för mer om brytningsindex.

"Normala" media har brytningsindex i intervallet 1-4 (se List_of_refractive_indices). Kisel, med n=4, är det mest extrema materialet.

Med hjälp av speciella knep kan man faktiskt bromsa upp ljuset så det står stilla (betyder i princip att brytningsindex är oändligt), se fråga [17060].

Nedanstående animation från Wikimedia Commons visar hur hastigheten hos vågen påverkar riktningen hos vågfronten (refraktion). Figurtexten lyder:

Wavefronts from a point source in the context of Snell's law. The region below the gray line has a higher index of refraction, and so light traveling through it has a proportionally lower phase speed than in the region above it.

/Peter E 2010-09-22

Svar:
Ulrika! Min favorifråga, varför? Svaret är som alltid: så är naturlagarna! Det är helt enkelt en egenskap hos glas att det är transparent för synligt ljus och för närliggande UV-A medan det absorberar de mer kortvågiga UV-B och UV-C. Genom att titta på problemet i ett mikroskopiskt perspektiv kan man emellertid säga lite om varför.

Vad är det som gör att ett material absorberar elektromagnetisk strålning av en viss energi? Fria atomer absorberar bara vissa våglängder (spektrallinjer), se fråga [176]. Vilka våglängder som absorberas beror på energinivåerna i atomerna och dessa beror på atomstrukturen. Atomstrukturen i sin tur beror på hur atomen är sammansatt, dvs kärnans laddning (som bestämmer vilket grundämne det är frågan om) och kvantmekanikens lagar.

Om det absorberande materialet är molekyler får man absorptionsband i stället för linjer. Orsaken är att man för molekyler även kan ha vibrations- och rotationstillstånd.

I vätskor och fasta ämnen är atomerna mycket nära varandra vilket medför att energinivåerna blandas ihop så man får kontinuerliga band av absorption. Det är detta som orsakar att olika material har olika färger (se t.ex. fråga [10888]).

Det finns ju många olika sortes glas, en del som är färgade och alltså innehåller atomer som absorberar i synligt ljus. Fönsterglas är emellertid transparent för våglängder ned till och med UV-A, se nedanstående figur. Orsaken är helt enkelt att de tillgängliga energinivåerna ligger så högt i energi att det krävs kortvågig strålning (UV-B eller kortare) för att excitera nivåerna. Kortvågig strålning innebär ju stor energi enligt uttrycket

E = hv = hc/l

där E är strålningens energi, h och c konstanter och l är våglängden.

För mer om UV-ljus, speciellt om hur människan påverkas, se fråga [12865].

/Peter E 2010-11-11

Svar:
Brytningsindex (Refractive_index, brytningsindex) n eller optisk täthet hos ett medium definieras som ljushastigheten i vakuum dividerat med ljusets hastighet i mediet v: n = c/v.

I ett medium med brytningsindex n>1 har olika våglängder olika hastighet. Hastigheten är c/n där c är ljushastigheten i vakuum. Observera emellertid att hastigheten i vakuum är c för alla våglängder eftersom n=1.

Ja det är korrekt att ju långsammare ljuset går (ju större n) desto mer brytning får man, se fråga [17367] och [3302].

Eftersom ljushastigheten i vakuum alltid är densamma så uppkommer inte problemet att vi ser olika tider i olika våglängder. Om rymden mellan jorden och solen varit av glas, så hade vi sett rött ljus snabbare är blått.

Den klassiska förklaringen för ljusbrytning (refraktion, Refraktion) är en rad soldater som marscherar snett in mot en rak gränslinje till en leråker. Soldaternas marschhastighet minskar när de kommer till leråkern. För att bevara den snygga räta linjen med
soldater bredvid varandra, så måste de ändra riktning lite mot normalens riktning. Om vi sedan har en rad med kortbenta soldater som har ännu mindre hastighet
i leråkern, så behöver dessa avvika ännu mer från utgångsvinkeln. (Vi vill bara inte tänka på vad som skulle hända om vi blandade långbenta och kortbenta soldater i en rad :-).)

OK med soldater som kan bestämma att de behöver avvika från rakt fram, men hur vet ljuset hur det skall avvika? Helt enkelt genom att vågor i oordning tenderar att släcka ut varandra (interferens). I alla riktningar utom den som specificeras av brytningslagen släcks alltså ljuset ut. Se bilden nedan.

Din sista fråga finns behandlad i fysik, förståelse av.

Huvudpunkterna är:

• Utgå från observationer - fysik är inte matematik utan en empirisk (erfarenhetsbaserad, Empiri) vetenskap
  
• "Varför?" kan vi aldrig besvara eftersom det implicerar avsikt (och i så fall, vems avsikt). Man kan emellertid besvara "hur?" och ge samband mellan olika fysikaliska fenomen
  
• En del av den teoretiska fysiken är helt enkelt svår att förstå, så vi får lita på vad våra vänner teoretikerna säger åtminstone vad gäller väl etablerade fenomen
  

Man kan heller inte begära att en lärare skall kunna besvara allt. Även jag, med 40 års erfarenhet av fysik, går bet på en del frågor (ofta de som verkar triviala till att börja med). Jag kan emellertid oftast förstå när jag slår upp ett fenomen, men att göra det lättbegripligt för var och en kan vara svårt eller omöjligt. Det är en del i läroprocessen att man med tiden och erfarenheten förhoppningsvis får en allt djupare förståelse för fysik - allt kan inte komma på en gång! Det är lätt
att lära sig att Gustav II Adolf dog en novemberdag 1632 på ett fält nära Lützen, men kanske lite längre att förstå vad han hade där att göra!

Se en avancerad framställning av problemet i länk 1.

En kommentar om förståelse av fysik (Jocelyn_Bell):

(Jocelyn Bell är en av upptäckarna av pulsarer.)

Jocelyn Bell was born in Belfast, Northern Ireland, where her father was an architect who helped design the Armagh Planetarium. She was encouraged to read and drawn to books on astronomy. She lived in Lurgan as a child and attended Lurgan College where she was one of the first girls there who was permitted to study science. Previously, the girls' curriculum had included such subjects as cross-stitching and cooking.

At age eleven, she failed the 11+ exam and her parents sent her to the Mount School, York, a Quaker girls' boarding school. There she was impressed by a physics teacher, Mr. Tillott, who taught her:

You don't have to learn lots and lots ... of facts; you just learn a few key things, and ... then you can apply and build and develop from those ... He was a really good teacher and showed me, actually, how easy physics was.

/Peter E 2011-02-17

Svar:
Bra fråga Jenny! Det kan tyckas konstigt att infrarött kommer ut som lila - det hade varit mer naturligt med rött som är grannfärgen. Det beror helt enkel på hur kameran är konstruerad. För att detektera färger har man tre CCDer i varje bildpunkt med ett rött, grönt och ett blått filter. Dessa filter fungerar bra i synligt ljus, så att färgåtergivningen blir korrekt. Det är uppenbarligen så att det är det röda och det blå filtren som släpper in mest infrarött, så att resultatet blir lila, se nedanstående bild.

Se även CCD_cameraArchitecture och länk 1 sidan 29.

/Peter E 2011-05-17

Svar:
Du refererar till ämnet för pressreleasen under länk 1. Felet i den urspungliga mätningen är nu lokaliserat, se Hade Einstein fel?, så problemet med neutriner som rör sig snabbare än ljuset är löst.

En av forskningsgrupperna på CERN (OPERA-kollaborationen) har mätt löptiden hos neutriner från CERN till gruvan Gran Sasso 73 mil ner i Italien. Totalt har man detekterat c:a 16000 neutriner. Resultatet är att man får en hastighet som är lite överstigande ljushastigheten i vakuum c. Resultatet är signifikant med 6 standardavvikelser.

Löpsträckan på 73 mil (löptid 2.4 millisekunder med ljushastigheten) bestämdes med GPS med en precision på 20 cm. Tidssynkroniseringen gjordes även den med GPS och hade en precision av 1 ns. Totala osäkerheten i tidsdata uppskattades till 10 ns, och den uppmätta effekten var 60 ns. Denna diskrepans på 60 ns motsvarar t.ex. ett fel i avståndsmätningen på 6010^-9310⁸ = 18 m.

Vad gäller mätningen av löpsträckan var den största svårigheten att mäta sträckan inne i tunneln i gruvan Gran Sasso - GPSen fungerar dåligt under 1400 m berg! Man kan i mätningarna (som pågått sedan 2009) tydligt se effekter av kontinentaldriften och ett hopp i samband med en jordbävning i Italien 2009, se nedanstående figur.

Man gav ett webbseminarium från CERN fredagen den 23 aeptember 2011, länk 2. Där presenterade man resultatet och metoderna mycket bra och detaljerat.

Kommentarer:

De flesta fysiker tror nog att mätningen är felaktig, men än så länge finns ingen bra förklaring. Troligaste orsaken är att sträckan är felmätt eller att tidssynkroniseringen CERN-Gran Sassio är felaktig.

Einsteins speciella relativitetsteori förbjuder inte expicivt att partiklar rör sig med överljushastighet. Vad den förbjuder är att en partikel accelereras upp till ljushastigheten, det skulle kosta oändlig energi. Enda problemet är att partiklar som rör sig snabbare än ljuset (hypotetiska partiklar som kallas tachyoner, se Tachyon) får imaginär massa. Se även fråga [15804].

OPERA-kollaborationen har helt följt god vetenskaplig procedur:

- Analysen har gjorts "blind" så att man inte skulle kunna påverkas av det väntade resultatet.

- Arbetet presenterades utförligt på ett öppet seminarium och i ett publicerat preprint.

Det är inte första gången man försökt mäta neutriners hastighet, men man har inte fått fram definitiva värden. Den enda signifikanta observationen hittills är neutriner från supernovan SN 1987A, se fråga [125] och Supernova_1987A. Denna mätning visar att neutrinernas hastighet är mycket nära ljushastigheten. Att neutrinerna kom fram några timmar före ljuset kan förklaras att stjärnan är transparent för neutriner tidigare än den är transparent för ljus. Avståndet till SN 1987A är 168000 ljusår. Med den uppmätta tidsdifferensen skulle neutrinerna ha kommit fram

(6010^-9/2.410^-3)168000 = 4.2 år före ljuset.

Neutrinerna skulle alltså kommit fram flera år innan supernovan upptäcktes, inte några timmar. Tyvärr var neutrinodetektorerna inte igång då (Kamiokande II började ta data 1985, se (Kamioka_Observatory).

_____________________________________________________________________

Fotnot: Nedanstående meddelande distribuerades i samband med pressreleasen. Det får anses helt unikt att en officiell deklaration från CERN går ut tillsammans med en pressrelease.

Dear Colleagues,

As usual, I am sending you this CERN press release before we issue it
to the media. Unusually this time, however, I feel that it needs a few
words of introduction. The OPERA collaboration has measured the time
of flight of neutrinos sent from CERN to Gran Sasso, along with the
distance they cover. These measurements appear to show that the
neutrinos are travelling faster than light. When a collaboration makes
a surprising observation such as this and is unable to account for it,
the ethics of Science demand that the results be made available to a
wider community, to seek scrutiny and to encourage independent
experiments. That's why when the spokesperson of the OPERA
collaboration asked me whether they could hold a seminar here, I said yes. Given the potential impact of such a measurement, I felt it important for CERN formally to make its position clear. That's the reason for the cautiously worded statement we're sending to the media today.

Best regards,

Rolf Heuer

Se även Hade Einstein fel? där det längst ner finns en uppdatering av statusen för experimentet.

/Peter E 2011-09-23

Svar:
Intressant fråga - det går naturligtvis inte! Autofokus för kikare är bara en marknadsföringsploj, se länk 1. I själva verket är kikarna med autofokus konstruerade så att de fokuserar på oändligt avstånd och har stort skärpedjup. Till en del kan även ögats egna autofokusering korrigera för ändligt avstånd genom att ögonlinsen ändrar form.

För att åstadkomma riktigt autofokus behöver systemet ha en inbyggd detektor. I elektroniska kameror finns ju detta. Det finns flera sätt att åstadkomma autofokus. Det enklaste är att maximera kontrasten - gränslinjen mellan ljust och mörkt är skarpast om man har korrekt fokusering. En annan metod är att använda ultraljud eller infrarött ljus. Se vidare Autofocus och länk 2.
/Peter E 2013-09-12

Svar:
Man kan tycka att det skulle vara mest effektivt om klorofyllet absorberade alla våglängder och inte bara blått och rött, se fråga [10888]. Nu fungerar emellertid inte evolutionen så att den effektivaste lösningen alltid utvecklas. För detta krävs dels en uppenbar fördel som driver evolutionen och dels att lösningen är fysikaliskt möjlig.

I fallet fotosyntes hos växter är det en mycket komplex process som antagligan bara utvecklats en enda gång med grönalger (Grönalger) som gemensam förfader. Sedan måste det även finnas en molekyl som till skillnad från klorofyll absorberar även grönt ljus. På frågan "varför har då inte växterna här svart klorofyll?" är svaret att svart klorofyll finns inte. Jag kan tänka mig att man skulle kunna hitta något ämne som absorberar grönt ljus och som kunde komplettera klorofyll (se länk 2). Med hjälp av genteknik skulle man kanske kunna få växter att producera den grönabsorberande molekylen. Det finns emellertid andra metoder att öka effektiviteten, se nedan.

Se även diskussionen i länk 1, länk 2 och

http://simple.wikipedia.org/wiki/ChlorophyllWhy_green_and_not_black.3F

I fråga [10888] finns även en video om hur man kan optimera belysningen i växthus genom att med LED generera endast de våglängder klorofyllet absorberar.
/Peter E 2014-04-28

Svar:
Hej Mirjam! Bra fråga!

Komplementfärg är ett besvärligt och dåligt definierat begrepp, se fråga [17926]. Det är dessutom kopplat till hur människan uppfattar färgblandningar. Därför är det lättare att förstå vad som händer i termer av våglängder. Våglängderna är sedan kopplade till känsligheten hos röd-, grön- och blåkänsliga tappar i ögat, se fråga [13824].

Om ett föremål som belyses av vitt ljus (alla synliga våglängder) absorberar alla våglängder utom de röda som reflekteras, så uppfattas föremålet som rött.

Klorofyll t.ex. absorberar blått och rött (se fråga [10888]), så det reflekterade gröna ljuset ger växtbladen sin gröna färg.

Vad händer om grönt ljus absorberas och rött och blått reflekteras? Det beror alltså på tapparnas känslighet för olika våglängder. Man kan blanda färger med appleten Color Addition Simulator. Där kan man se att blandningen rött/blått uppfattas som en färg vi kallar magenta. Observera att denna färg inte finns i spektrum utan är en färg som uppstår vid blandning av flera färger i kombination med ögats färgkänslighet.
/Peter E 2014-05-27