¿Podemos transportar energía a distancias infinitas por vacío usando la luz?

Question

Sé que la luz (o radiación electromagnética en general) atenúa la intensidad con el cuadrado de la distancia que viaja.

• ¿Por qué atenuar?
• Son los fotones que se dispersa por el medio en que se pasan a través de?

También sé que la energía transportada por la luz quanta es una función de su frecuencia.

• Si la respuesta a la B es sí, entonces podemos transmitir la energía de la luz (y la información) a través de infinitas distancias a través de un perfecto vacío?

Puedo estar equivocado en algunos supuestos, por lo que por favor me ilumine.

Answer 1

A. Todas las fuentes de luz (incluso el láser) están sujetas a un límite de difracción, por lo que cualquier rayo de luz eventualmente divergen con un ángulo de $\theta$ dada por

$$\theta \approx \frac{\lambda}{A_T}$$

donde $\lambda$ es la longitud de onda de la luz y $A_T$ es la apertura del haz de luz de la fuente (y "eventualmente" significa para distancias mucho mayor que $A_T$).

Cualquier haz divergente con un ángulo constante tendrá una intensidad después de una inverso del cuadrado de la ley, aunque el total del haz de energía se ve afectada (si nos podemos descuidar la absorción de luz y de dispersión).

El límite de difracción puede ser visto como una consecuencia del principio de incertidumbre de Heisenberg: llamar a una transversal coordinar $x$ y la aplicación de la posición-impulso de la incertidumbre respecto a la fuente (suponiendo que la desigualdad está saturado y la posición de la incertidumbre es igual al tamaño de la abertura), obtenemos

$$\Delta p_x^{source} \Delta x^{source} \approx \hbar$$

$$\Delta p_x^{source} \approx \frac{\hbar}{A_T}$$

Lejos de la fuente, a una distancia $R \gg A_T$, la posición transversal de la incertidumbre estará dominada por el momento transverso de la incertidumbre en la fuente, dando

$$\theta \approx \frac{\Delta x^{far}}{R} \approx \frac{R \Delta p_x^{source}}{p}\frac{1}{R} \approx \frac{\hbar\lambda}{A_T \hbar 2\pi} = \frac{1}{2\pi}\frac{\lambda}{A_T}$$

que difiere de la dada anteriormente resultado por una constante, debido a las aproximaciones involucradas y la naturaleza imprecisa de los "deltas". Un tratamiento más preciso muestra que $\theta = \lambda/A_T$ es una mejor aproximación.

B. los Fotones no están esparcidas en un perfecto vacío. Y el espacio intergaláctico, aunque no es un vacío perfecto, es tan vacío que incluso los fotones se originó en galaxias a miles de millones de años luz puede ser recibido.

C. Sí, pero se necesita un receptor con una gran apertura para recibir esta luz. En términos más precisos, se necesita un receptor con una abertura de $A_R$ dada por

$$A_R \approx \frac{\lambda}{A_T}R$$

donde $\lambda$ es la longitud de onda, $A_T$ es la apertura del transmisor y $R$ es la distancia desde el transmisor hasta el receptor.

Answer 2

A. Debido a que la energía total se divide sobre la totalidad de la esfera de $4\pi R^2$ radio $R$ alrededor de la fuente de luz, lo que significa que la densidad de energía sobre la unidad de área es $1/R^2$. Sin embargo, esto sólo es cierto para fuera de foco de luz con el caótico direcciones. Los láseres pueden crear coherente de luz cuya intensidad por unidad de área no caer. El haz puede mover kilómetros y kilómetros sin cambiar su forma e intensidad.

B. depende del entorno: los fotones no esparcir en el vacío.

C. No, porque el vacío no interfiera con la de los fotones de movimiento, se puede transferir la energía de los fotones a través de cualquier distancia. En particular, no hay una disminución exponencial de la intensidad en el vacío. En este sentido, el vacío no es un "medio" - no hay ningún "luminiferous éter" que lo llena.

Cuando la intensidad de la energía que va hacia abajo, como $1/R^2$, que es el número de fotones por unidad de área que disminuye. La energía de cada fotón es igual.

Answer 3

La disminución de la intensidad se describe mejor si se utiliza el modelo ondulatorio de la luz.

Hacemos una suposición básica:

• El Total de la energía de la luz se conserva en el tiempo

Digamos que usted tiene una bombilla de luz en un vacío que hace que un flash. Digamos que incluya la luz de la bombilla en una bola, y la medición de la energía de la luz que golpea la bola en el interior de las paredes.

A continuación, intentamos de nuevo, pero esta vez utilice una bola más grande, con un mayor radio.

Porque es la misma "cantidad" de luz que se proyecta, las dos bolas, con diferentes radios, debe medir la misma energía total.

Sin embargo, la Intensidad es la energía por unidad de área (por segundo).

Debe quedar claro que con la bola más grande, hay menos energía por unidad de área que con la bola más pequeña. La energía está más concentrado en la bola más pequeña.

A partir de esto se puede ver que debido a que el área superficial de una esfera aumenta con la $r^2$, la intensidad de la luz (energía por unidad de área por segundo) disminuye con la $r^2$.

La luz de la intensidad de la decoloración, por lo tanto, es una consecuencia directa de la conservación de la energía.