Fotoner i cirkelbevægelse – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Fotoner i cirkelbevægelse

01. september 2015

Fotoner i cirkelbevægelse

Hej Spørg om fysik
Man siger, at der sker en acceleration, når man kører ind i en rundkørsel uden at farten sættes op. Lysets hastighed er konstant, men fotoner har både energi, impuls og et strålingstryk, der f.eks. kan drive et solsejl.

Hvis en samling fotoner tænkes at rotere i en cirkel, vil deres impuls så bevirke, at de får et forøget strålingstryk, selvom lysets hastighed er konstant. Og hvis den cirkel, de roterer i, er mindre, vil det forøge denne virkning?

Med venlig hilsen
R J

Det er korrekt, at når et legeme bevæger sig i en cirkelbevægelse, så er den påvirket af en acceleration rettet mod centrum. Dette er den såkaldte centripetalacceleration. Hvis du f.eks. svinger en bold rundt i en snor over hovedet, så er det snorkraften derafstedkommer denne acceleration. Du vil gennem snoren føle en udadrette kraft på din hånd.

Centripetalkraften peger imod centrum og er den kraft der drejer hastighedens retning

Lad os betragte dit eksempel med en foton, der udfører en cirkelbevægelse. Da det ikke er muligt at holde en foton fast med en snor, har du konstrueret et sæt af spejle, der sørger for, at fotonen bevæger sig på en “cirkel”. Ja, en egentlig cirkel er det jo ikke, idet fotonen mellem hvert spejlelement jo bevæger sig retlinjet. Men i princippet kunne man måske tænke sig uendelig mange spejle, og banen ville da kunne komme til at minde meget om en cirkel. Dette er dog ikke vigtigt for det videre argument, så vi kan lige så godt betragte situation du har antydet med f.eks. fire spejle.

Et ringlaser gyroskop. Kanalen er til lysstrålen og ved indboringerne er monteret spejle. Størrelse ca. 10 cm i diameter

Ligesom det i eksemplet med bolden var snoren, der fastholdt legemet i sin bane, er det her spejlene. Og ligesom der var en udadrettet kraft på hånden, der holdt snoren, vil der her være en udadrettet kraft på spejlene. Dette er præcis det strålingstryk du omtaler. Hver spejl vil påvirkes af et udadrettet strålingstryk: Hver gang en foton spejles, ændres den bevægelsesretning, og dermed dens bevægelsesmængde -også kaldet impuls. Og dette medfører en kraftpåvirkning af spejlet. Det er præcis samme situation, som hvis du kaster en bold ind mod en mur. Bolden påvirker muren med en indadrettet kraft, tilsvarende at muren påvirker bolden med en udadrettet kraft (Newtons tredje lov), hvorved bolden sendes tilbage, hvor den kom fra.

Lysstrålen løber i en cirkel med en lyslederring (Leybold)

Tænker vi os en foton med en given bølgelængde (og dermed energi og impuls), så vil hvert af de fire spejle påvirkes at samme kraft, hver gang fotonen spejles. Gør vi nu systemet mindre vil den eneste forskel være, at fotonen rammer spejlet oftere. Så midlet over tid vil hver spejl påvirkes af en større kraft, når systemet gøres mindre.

Med venlig hilsen
Mogens Dam

Et 3 akset Laser gyroskop til fly

 

Verdens største lysgyroskop under fremstilling