Rechenbetonte Schwarzkörper-Strahlung

Claes Johnson

1 Schwarzkörper-Strahlung

All diese fünfzig Jahre bewussten Grübelns haben mich der Antwort auf die Frage „Was sind Lichtquanten?“ kein bisschen näher gebracht. Heutzutage glaubt jeder Tom, Dick und Harry, er wisse es, aber er irrt sich. (Einstein 1954)

1.1 Wellen-Partikel-Dualität und Moderne Physik

Die Maxwellschen Gleichungen repräsentieren eine Kulmination klassischer mathematischer Physik, indem sie eine kompakte mathematische Formulierung sämtlicher elektromagnetischer Phänomene, einschließlich der Ausbreitung des Lichts und der Strahlung, als elektromagnetische Wellen anbieten. Doch wie in der griechischen Tragödie bereitete der Erfolg von Maxwells Gleichungen den Weg für den Kollaps klassischer mathematischer Physik und den Aufstieg moderner Physik, der auf einem Konzept der Wellen-Partikel-Dualität mit einer Wiederbelebung von Newtons alter Idee von Licht als einem Strom von Lichtpartikeln oder Photonen, in seiner modernen Version kombiniert mit Statistik, aufbaut.

Doch die Wellen-Partikel-Dualität zu einem physikalischen Prinzip zu erheben, ist die Verschleierung eines Widerspruchs [3, 4, 12]: Als ein vernunftbegabtes Wesen mag man sich manchmal wie ein Narr benehmen, aber Dualität wird dann Schizophrenie genannt, und schizophrene Wissenschaft ist verrückte Wissenschaft, die in unserer Zeit durch den CO2-Klima-Alarmismus repräsentiert wird, der letztlich auf Strahlung als einem Strom von Partikeln basiert. Der Zweck dieser Anmerkung ist, zu zeigen, dass die Partikelstatistik durch Wellenmechanik basierend auf deterministischer finiter Präzisionsberechnungen ersetzt werden kann. Wir versuchen daher, eine Tür zu öffnen, um die rationale Physik, einschließlich der Klimaphysik, ohne jede widersprüchliche Wellen-Partikel-Dualität zu restaurieren.

1.2 Klima-Alarmismus, Treibhauseffekt und Rück- bzw. Gegen-strahlung

Im besonderen ist das Ziel, zu zeigen, dass der „Treibhauseffekt“ des Klima-Alarmismus, der, wie von der NASA in Abb. 1 dargestellt, aus der behaupteten „Rück- oder Gegenstrahlung“ (engl. „back radiation“) von Partikelströmen entsteht, eine reine Fiktion ohne reale physikalische Bedeutung ist. Dies beraubt den Klima-Alarmismus einer Haupt-Energiequelle in dem Sinne, dass verschiedene

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Rückkopplungen bei Null anstelle einer alarmierenden Erwärmung allein durch Strahlung beginnen müssen. Wir geben zuerst eine populärwissenschaftliche Beschreibung der Wissenschaft in Worten und dann eine mathematische, in der wir Formeln verwenden.

Um die Physik in präzisen Termini auszudrücken, ist es notwendig, die Sprache der Mathematik einzusetzen, aber die Hauptideen können auch in gewöhnlicher Sprache eingefangen werden, die beim Verstehen hilft, und auf diese Weise komplementieren sich die beiden Ausdrucksmöglichkeiten. Im besonderen werden wir finden, dass der Begriff „Rück- oder Gegenstrahlung“, über den auch ohne Mathematik nachgedacht werden kann, seine wahre instabile Natur offenbart, wenn er mathematisch ausgedrückt wird, was ihn zu einem fiktiven unphysikalischen Phänomen ohne Realität macht. Wir werden finden, dass er dieselbe Form wie eine Blasen-Ökonomie in einem realen ökonomischen Umfeld repräsentiert: fiktive Werte ohne reale Substanz aus der sich selbst antreibenden Zirkulation von Papiergeld. Oder mit einer anderen Antologie: So nicht existent wie die Rückkopplung zwischen einem Mikrophon und dem Lautsprecher bei abgeschaltetem Verstärker.

1.3 Schwarzkörper-Strahlung in Worten

Ein Schwarzer Körper agiert wie ein Strahlungsumwandler, der hochfrequente Strahlung absorbiert und niederfrequente Strahlung emittiert. Die Temperatur des schwarzen Körpers determiniert eine Ausschluss-Frequenz (Kappfrequenz oder Kappschwelle) für die Emission, die linear mit der Temperatur ansteigt: Je wärmer der schwarze Körper ist, desto höhere Frequenzen kann und wird er emittieren. Deshalb werden nur Frequenzen unterhalb der Kappschwelle emittiert, während alle Frequenzen absorbiert werden.

Ein Schwarzer Körper kann deshalb als ein System aus Resonatoren mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen betrachtet werden, die durch eintreffende Strahlung angeregt werden und dann Strahlung emittieren. Ein idealer Schwarzkörper absorbiert sämtliche eintreffende Strahlung und reemittiert die gesamte absorbierte Strahlung unterhalb seiner Ausschluss-Frequenz.

Die Konservierung der Energie erfordert es, dass absorbierte Frequenzen oberhalb der Kappschwelle in irgendeiner Form, präziser als Wärmeenergie, gespeichert werden, die deshalb die Temperatur des Schwarzkörpers erhöht.

Als Transformator für Strahlung funktioniert ein Schwarzkörper daher auf sehr einfache Weise: er absorbiert sämtliche Strahlung, emittiert absorbierte Frequenzen unterhalb seiner Kappschwelle und verwendet absorbierte Frequenzen oberhalb der Kappschwelle, um seine Temperatur zu erhöhen. Ein Schwarzkörper verhält sich daher wie ein Halbleiter, der nur Frequenzen unterhalb der Kappschwelle passieren lässt und kohärente Frequenzen oberhalb der Kappschwelle zu Wärme in Form von inkohärentem hochfrequentem Rauschen zermahlt.

Wir unterscheiden hier zwischen kohärenten organisierten elektromagnetischen Wellen verschiedener Frequenzen in Form von Strahlung oder Licht und inkohärenten hochfrequenten Vibrationen oder Rauschen, das als Wärme wahrgenommen wird.

Ein Schwarzer Körper absorbiert und emittiert also Frequenzen unterhalb seiner Kappschwelle ohne wärmer zu werden, während absorbierte Frequenzen oberhalb der Ausschluss-Frequenz nicht emittiert, sondern stattdessen als Wärme gespeichert werden, die die Temperatur erhöht.

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Abbildung 1: Das Erdenergie-Budget gemäß NASA [10] mit unkorrekter unphysikalischer 100% Gegenstrahlung und 117% = 390 W /m 2 austretender Strahlung von der Erdoberfläche, jedoch mit physikalisch korrekten 30% abgegebener Strahlung der absorbierten 48% Strahlung durch Konvek-tion/Evaporation von der Erdoberfläche zur Atmosphäre

Ein Schwarzer Körper ist also wie ein Hochpassfilter, der Frequenzen unterhalb einer Ausschluss-Frequenz reemittiert, während er Frequenzen oberhalb der Kappschwelle als Wärme einfängt.

Ein Schwarzer Körper agiert wie ein Zensor, der kohärente hochfrequente (gefährliche) Information herausfiltert, indem er sie in inkohärentes (harmloses) Rauschen umwandelt. Das IPCC benimmt sich wie ein Schwarzer Körper, der kohärente kritische Information filtert und sie in inkohärenten Unfug umwandelt, der als globale Erwärmung wahrgenommen wird.

Der Anstieg der Ausschluss-Frequenz mit der Temperatur kann als eine zunehmende Fähigkeit verstanden werden, kohärente Wellen mit zunehmender Temperatur/Exzitation oder Wellenamplitude zu emittieren. Bei niedrigen Temperaturen können Wellen mit kleiner Amplitude kein scharfes Signal tragen. Das ist, wie bei -40° C mit sehr steifen Lippen zu sprechen.

Wir können es auch mit einer gewöhnlichen Lehrer-Klassensituation mit einem angeregten Lehrer hoher Temperatur verstehen, der Informationen über einen Bereich verschiedener Frequenzen, von niedrigen Frequenzen (einfacher Stoff) bis hin zu hohen (schwieriger Stoff) Frequenzen emittiert, die von der Klasse absorbiert und unterhalb einer bestimmten Ausschluss-Frequenz reemittiert/wiederholt werden, während die Klasse nicht in der Lage ist, Frequenzen oberhalb der Kappschwelle zu emittieren/zu wiederholen, welche stattdessen verwendet werden, die Temperatur der Frustration/des Interesses der Klasse zu erhöhen. Die Temperatur der Klasse kann dann niemals die des Lehrers übersteigen, weil sämtliche kohärente Information vom Lehrer ausgeht. Der Lehrer und die Schüler verbinden sich in einer bidirektionalen Kommunikation mit einem unidirektionalen Fluss kohärenter Information.

Das Nettoergebnis ist, dass ein warmer Schwarzkörper einen kalten erwärmen kann, aber nicht umgekehrt. Ein Lehrer kann einen Studenten lehren, aber nicht umgekehrt. Die heiße Sonne erwärmt die kältere Erde, aber die Erde erwärmt nicht die Sonne. Eine warme Erdoberfläche kann eine kalte Atmosphärenschicht erwärmen, aber eine kalte Atmosphäre kann nicht eine warme

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Erdoberfläche erwärmen. Ein Schwarzer Körper wird nur durch Frequenzen erwärmt, die er nicht emittieren kann, sondern als Wärmeenergie speichern muss.

Es gibt keine „Gegenstrahlung“ von der Atmosphäre zur Erde. Es gibt keinen „Treibhauseffekt“ durch „Gegenstrahlung“. Die von der NASA verbreitete Abbildung 1 zeigt deshalb fiktive, unphysikalische rezirkulierende Strahlung mit einer Erdoberfläche, die 117% emittiert, während sie 48% von der Sonne absorbiert.

Wir werden sehen, dass der Grund dafür, dass rezirkulierende Energie unphysikalisch ist, der ist, dass sie instabil ist. Die Instabilität ist von derselben Natur wie die einer Ökonomie, deren Einkommensteuer sich 100% oder einer Zinsrate von 0% nähert oder unbegrenzte Wohlfahrt aus unbegrenzten Steuern realisiert. Eine Ökonomie mit fiktivem Geld, das mit zunehmender Geschwindigkeit zirkuliert, erzeugt Blasen, die früher oder später durch ihre inhärente Instabilität platzen, wovon wir in jüngster Zeit Zeuge werden konnten.

Gegenstrahlung würde dem „Aufblähen“ der Rückkopplung zwischen einem Mikrophon und Lautsprecher ohne Energiezufuhr eines Verstärkers entsprechen, was nicht geschehen kann, weil unvermeidliche Energieverluste ein Anwachsen ohne Energiezufuhr verhindern.

„Gegenstrahlung“ gibt es aus demselben Grund nicht, aus dem es keine „Gegenkonduktion“ oder „Gegendiffusion“ gibt, nämlich Instabilität. „Gegendiffusion“ würde der Restaurierung eines unscharfen diffusen Bildes mit Photoshop entsprechen, von dessen Unmöglichkeit Sie sich leicht überzeugen können. Nehmen Sie ein scharfes Bild und wandeln es in ein unscharfes um und dann versuchen Sie, es zu restaurieren und entdecken Sie, dass das wegen der Instabilität nicht funktioniert. Unschärfe oder Diffusion zerstört feine Details, die nicht wiederhergestellt werden können. Diffusion oder Unschärfe ist, als ob Durchschnittswerte aus individuellen Werten gebildet werden und die individuellen Werte aus den Durchschnittswerten nicht zurückgeholt werden können. Milch in Ihren Kaffee durch Rühren/Verwischen zu mischen ist möglich, aber das Entmischen durch „Entrühren/Entverwischen“ ist nicht möglich.

Abbildung 2: Ein Schwarzer Körper wirkt wie ein Zensor oder Hochpassfilter, der kohärente hochfrequente Information von hohem Interesse in inkohärentes Rauschen umwandelt, während er niederfrequente Information von geringem Interessengehalt passieren lässt.

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Strahlungswärme kann durch elektromagnetische Wellen von einem warmen Schwarzkörper auf einen kälteren übertragen werden, aber nicht von einem kalten auf einen wärmeren, also durch eine einseitig ausgerichtete Wärmeenergie, während sich die elektromagnetischen Wellen in beide Richtungen ausbreiten. Wir unterscheiden daher zwischen bidirektionaler Ausbreitung der Wellen und unidirektionaler Ausbreitung der Wärmeenergie durch Wellen.

Ein kalter Körper kann sich durch Aufnahme/Absorption hochfrequenter, kohärenter Wellen von hoher Temperatur in einem katabolischen Prozess der Zerstörung koheränter Wellen zu inkohärenter Wärmeenergie aufwärmen. Ein warmer Körper kann sich nicht durch Aufnahme/Absorption niederfrequenter Wellen von niedriger Temperatur aufwärmen, da Katabolismus die Zerstörung von Struktur beinhaltet. Anabolismus baut Struktur auf, aber ein Schwarzer Körper ist nur zu destruktivem Katabolismus in der Lage (der Metabolismus einer lebenden Zelle besteht aus destruktivem Katabolismus und konstruktivem Anabolismus).

2 Plancks Gesetz

Man nimmt an, dass die Idee der partikulären Natur des Lichts der Frequenz ν als ein Strom von Photonen der Energie hν mit h als Planckscher Konstante von Einsteins Modell des photoelektrischen Effekts [2] motiviert wurde, der mit der Annahme von Licht als einem elektromagnetischen Wellenphänomen, die den Maxwellschen Gleichungen genügt, als unmöglich [1, 8] zu erklären angesehen wurde. Die Idee von Licht in Form von Energiequanten der Größe hν wurde von Planck [11] in einem „Akt der Verzweiflung“ eingeführt, um die von einemSchwarzkörper emittierte Strahlungsenergie Rν (T) als eine Funktion der Frequenz ν undTemperatur T pro Frequenzeinheit, Oberfläche, Betrachtungswinkel und Zeit zu erklären:

mit dem Hochfrequenz-Ausschluss-Faktor

wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und k die Boltzmann-Konstante ist, mit Da h/k ≈ 10-10, bedeutet dies im Endeffekt,

dass nur Frequenzen mit ν ≤ T 1011 emittiert werden, was mit der allgemeinen Erfahrung übereinstimmt, dass eine schwarze von der Sonne aufgeheizte Oberfläche nicht selbst wie die Sonne strahlt, sondern nur niedrigere Frequenzen abstrahlt. Wir nennen die Ausschluss-Frequenz in dem Sinne, dass Frequenzen mit ν > bei der Abstrahlung starker Dämpfung unterworfen sind. Wir sehen, dass die Ausschluss-Frequenz mit der Temperatur skaliert wird, was Wiens Verschiebungsgesetz ist.

Der Begriff Schwarzkörper oder Schwarzer Körper wird im konventionellen Sinne benutzt, um ein idealisiertes Objekt zu beschreiben, das die gesamte auf ihn treffende elektromagnetische Strahlung absorbiert und deshalb schwarz erscheint. Die im folgenden durchgeführte Analyse wird

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einige der tatsächlichen Wahrheiten eines wirklichen Schwarzkörpers wie etwa der Erde offenbaren, die infrarotes Licht abstrahlt, während sie hauptsächlich im sichtbaren Sonnenspektrum absorbiert. Es ist wichtig anzumerken, dass die Konstante γ = sehr klein ist: Mit k ≈ 10−23 J/K und c ≈ 3 × 108 m/s erhalten wir γ ≈ 10−40. Insbesondere ist γν2 << 1 falls ν ≤ 1018, einschließlich des ultravioletten Spektrums, eine Bedingung, die wir weiter unten erfüllen werden.

Abbildung 3: Strahlungsenergie pro Frequenzeinheit gegen Wellenlänge/Frequenz eines strahlenden Schwarzkörpers bei unterschiedlichen Temperaturen. Beachten Sie, dass sich die Kappfrequenz mit höheren Temperaturen entsprechend Wiens Verschiebungsgesetz zu höheren Frequenzen verschiebt.

Durch Integration/Aufsummierung über die Frequenzen in Plancks Strahlungsgesetz (1) erhält man das Stefan-Boltzmann Gesetz, das besagt, dass die von einem Schwarzkörper pro Oberflächeneinheit emittierte Gesamtstrahlungsenergie R(T ) proportional zu T 4 ist:

R(T ) = σT 4 (3)

wobei die Stefan-Boltzmann-Konstante ist.

Auf der anderen Seite resultiert das klassische Rayleigh-Jeans Strahlungsgesetz Rν (T) = γT ν2 ohne den Ausschluss-Faktor in einer "ultravioletten Katastrophe" mit unbegrenzter Gesamt-strahlungsenergie, da wenn n → ∞.

Das Stefan-Boltzmann Gesetz stimmt (annähernd gut) mit der Beobachtung überein, während das Rayleigh-Jeans Gesetz zu einer Absurdität führt und deshalb inkorrekt sein muss. Das Rayleigh-Jeans Gesetz wurde von der Betrachtungsweise von Licht als von den Maxwellschen Gleichungen gesteuerte elektromagnetische Wellen abgeleitet, was Planck zu seinem „Akt der Verzweiflung“ zwang, mit dem er das Wellenmodell aufgab und es durch die Statistik von „Quanten“ ersetzte, die Licht als einen Strom von Partikeln oder Photonen betrachtet. Doch der wissenschaftliche Preis der Aufgabe des Wellenmodells ist sehr hoch und wir präsentieren jetzt einen alternativen Weg, die Katastrophe zu vermeiden, indem wir das Wellenmodell durch finite Präzisionsberechnungen ersetzen, anstatt auf die Partikel-Statistik zurückzugreifen.

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Abbildung 4: Planck über die ultraviolette Katastrophe im Jahre 1900: „ ...die ganze Prozedur geschah in einem Akt der Verzweiflung, weil eine theoretische Interpretation um jeden Preis gefunden werden musste, egal wie hoch er sein könnte ...Entweder war das Wirkungsquantum eine fiktive Menge, dann war die gesamte Ableitung des Strahlungsgesetzes notwendigerweise eine Illusion, die nur ein leeres Zahlenspiel ohne Bedeutung repräsentierte oder das Strahlungsgesetz basierte auf einem gesunden physikalischen Konzept.“ Planck 1909: „Mechanisch scheint die Aufgabe unmöglich und wir werden uns einfach daran gewöhnen müssen“ (Quanten).

Wir werden sehen, dass die finite Präzisionsberechnung eine Hochfrequenz-Kappschwelle im Geiste des finiten Präzisionsberechnungsmodells für Thermodynamik einführt, das in [6] präsentiert wurde.

Der wissenschaftliche Preis eines Rückgriffs auf die statistische Mechanik ist, wie von Planck und Einstein deutlich erkannt wurde, hoch, weil die mikroskopischen Roulettspiele, auf der die grundlegende Annahme der statistischen Mechanik fusst, sowohl wissenschaftlich unlogisch als auch unmöglich experimentell zu belegen scheinen. Deshalb unterliegt die statistische Mechanik wegen der offensichtlichen Schwierigkeiten, grundlegende Annahmen zu testieren, dem Risiko, eine Pseudowissenschaft zu repräsentieren.

Der Zweck dieser Veröffentlichung ist, eine Alternative zur Partikelstatistik für die Schwarzkörperstrahlung zu präsentieren, die auf deterministischen finiten Präzisionsberechnungen der Form Allgemeiner Galerkin (General Galerkin) G2 [5, 6] basiert.

Individuelle Photonen als sowohl masse- als auch ladungslose „Partikeln“ zu beobachten, erscheint unmöglich und deshalb blieb die physikalische Realität von Photonen hypothetisch mit dem hauptsächlichen Zweck, die Schwarzkörperstrahlung und den photoelektrischen Effekt zu erklären. Falls die Erklärungen auch durch Wellenmechanik gegeben werden können, kann sowohl der Widerspruch der Wellen-Partikel-Dualität als auch der Nebel der statistischen Mechanik vermieden und auf diese Weise ein Traum des späten Einstein [3, 4] erfüllt werden.

2.1 Das Rätsel

Das grundsätzliche Rätsel der Schwarzkörperstrahlung kann in unterschiedlichen Formulierungen dargestellt werden:

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• Warum ist ein Schwarzer Körper schwarz/unsichtbar, indem er infrarote Strahlung emittiert, wenn er von Licht im sichtbaren Spektrum „illuminiert“ wird?

• Warum ist der radiative Wärmeaustausch zwischen zwei Körpern immer vom wärmeren zum kälteren ausgerichtet?

• Warum kann hochfrequente Strahlung in Wärmeenergie umgewandelt werden? • Warum kann Wärmeenergie nur dann zu einer Strahlung bestimmter Frequenz umgewandelt

werden, wenn die Temperatur hoch genug ist?

Wir werden finden, dass die Antwort Resonanz in einem dissipativen System von Oszillatoren ist (oszillierende Moleküle/Ladungen):

• Ausgehende Strahlung hat ein Frequenzspektrum unter der Annahme, dass alle Frequenzen ν dieselbe Temperatur T mit einer Kappschwelle gegen Null für

aufweisen, wobei h die finite Präzision repräsentiert (und k auf eine Einheit normalisiert wird).

• Eintreffende Frequenzen unterhalb der Kappschwelle werden durch Resonanz absorbiert und reemittiert.

• Eintreffende Frequenzen oberhalb der Kappschwelle werden dissipativ absorbiert und als interne Wärmeenergie gespeichert.

2.2 Wellen versus Partikeln in der Klimawissenschaft

Wir werden Antworten auf diese Fragen finden, indem wir ein Wellenmodell verwenden, bei dem wir zwischen der Ausbreitung von Wellen und Ausbreitung der Wärmeenergie durch Wellen trennen und das bidirektionale Wellenausbreitung mit unidirektionaler Ausbreitung von Wärmeenergie kombiniert. In einem Partikelmodell ist diese Trennung unmöglich, weil die Wärmeenergie an die Partikeln gebunden ist. Die Auffassung von Strahlung als einem Strom von Partikeln führt daher zur Idee einer "Gegenstrahlung" mit bidirektionaler Ausbreitung der Wärmeenergie, die von einer bidirektionalen Ausbreitung der Partikeln getragen wird. Wir argumentieren, dass solch eine bidirektionale Ausbreitung instabil ist, weil sie Löschung erfordert, und Löschung in einem massiven wechselseitigen Fluss von Wärmeenergie kleinen Perturbationen gegenüber instabil und daher unphysikalisch ist. Wir finden deshalb, dass die angebliche wissenschaftliche Basis des Klima-Alarmismus instabil ist und deshalb unter Perturbationen, selbst kleinen, kollabieren wird, wobei Climategate eine große statt einer geringen Perturbation repräsentiert...

3 Eine Wellengleichung mit Strahlung

Es gibt keine Quantensprünge, noch gibt es irgendwelche Partikeln. (H.D. Zeh [13])

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3.1 Ein grundlegendes Strahlungsmodell

Wir betrachten die Wellengleichung mit Strahlung, der Einfachheit halber in einer Raumdimension unter der Annahme von Periodiziät: Finde u = u(x, t), so dass

wobei (x, t) Raum-Zeit-Koordinaten sind, einwirkende Kraft in Form eintreffender Wellen und der Term ausgehende Strahlung modelliert, wobei γ > 0 eine kleine Konstante ist.

Dies modelliert, im Geiste Plancks [11] vor der Kollabierung zur Statistik von Quanten, ein System von Resonatoren in Form einer vibrierenden Saite, die Energie aus der einwirkenden Kraft f der Intensität f 2 absorbiert und Energie der Intensität als Strahlung dissipiert, während sie vibrierende (Wärme) Energie gemäß des Energiegleichgewichts speichert oder entlässt.

Die Wellengleichung (4) drückt ein Kräftegleichgewicht in einem vibrierenden System geladener Partikeln aus, wobei u die Verschiebung von einer Referenzkonfiguration mit Geschwindigkeit und Beschleunigung und die Abraham-Lorentz Rückstosskraft eines beschleunigenden geladenen Partikels repräsentiert [14].

Das Energiegleichgewicht folgt aus dem Kräftegleichgewicht durch Multiplikation mit , gefolgt von Integration, welches die dissipierte Strahlungsenergie durch partielle Integration (aus multipliziert mit ) ergibt, was als Lamours Formel [14] bezeichnet wird.

In einer mechanischen Analogie wird der dissipative Strahlungsterm durch den dissipativen Viskositätsterm mit , einer Viskosität, mit der nun dissipierten Energie ersetzt.

In beiden Fällen enthält das Modell einen dissipativen Mechanismus, der den Energieverlust (durch Strahlung oder Viskosität) im System beschreibt, aber das Modell beschreibt nicht, wo die verloren gegangene Energie hinführt, denn das würde ein Modell für den Empfänger erfordern. Das mechanische Modell hat eine direkte physikalische Repräsentation als angeregte vibrierende Saite, die einer viskosen Dämpfungskraft unterworfen ist. Das radiative Modell muss als konzeptuelles Modell mit radiativer Dämpfung aus einer Abraham-Lorentz-Rückstosskraft angesehen werden.

Wir werden sehen, dass die Form der Dämpfung das Energiespektrum determiniert, was deshalb im Strahlungs- und Viskositätsfall zu fundamentalen Unterschieden führt.

3.2 Grundlegende Energiebilanz

Durch Multiplikation von (4) mit und partieller Integration über einen Raumabschnitt erhalten wir

was wir folgendermassen schreiben können

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wobei

die interne Energie, betrachtet als Wärmeenergie ist und

jeweils die absorbierte und abgestrahlte Energie mit ihrem Unterschied A − R ist, der die Änderungen der internen Energie E antreibt.

Unter der Annahme zeitlicher Periodizität und durch zeitliche Integration über eine Zeitspanne erhalten wir durch partielle Integration in der Zeit

was die dissipative Natur des Strahlungsterms zeigt. Falls die eintreffende Welle eine emittierte Welle der Amplitude U ist, dann ist

wobei die eintreffende und die ausgehende Strahlungsenergie ist. Wir schliessen, dass, wenn E(t) zunimmt, wird, das heißt, damit Energie als interne/Wärmeenergie gespeichert wird, ist es erforderlich, dass die eintreffende Energie größer als die ausgehende ist.

Das ist natürlich, was von der Erhaltung der Energie erwartet wird. Es kann auch als ein 2ter Satz der Strahlung betrachtet werden, der besagt, dass der radiative Wärmetransfer nur vom Wärmeren zum Kälteren möglich ist. Wir werden dieses grundlegende Gesetz weiter unten auf andere Weise präziser ausgedrückt sehen.

4 Das Rayleigh-Jeans Strahlungsgesetz

Doch die Konzeption lokalisierter Lichtquanten, aus denen Einstein seine Gleichung gewann, muss immer noch als weit entfernt davon betrachtet werden, etabliert zu sein. Ob der Mechanismus der Interaktion zwischen den Wellen des Äthers und Elektronen seinen Ursprung in den unbekannten Bedingungen und Gesetzen hat, die innerhalb des Atoms existieren, oder primär im notwendigerweise korpuskulären Thomson-Planck-Einstein Konzept der Strahlungsenergie gesucht werden muss, ist die alles absorbierende Ungewissheit an den Grenzen moderner Physik. (Robert A. Millikan [9])

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4.1 Spektralanalyse der Strahlung

Wir werden zeigen, dass das Rayleigh-Jeans Strahlungsgesetz eine direkte Konsequenz der Form des Strahlungsterms unter der Annahme ist, dass alle Frequenzen dieselbe Temperatur haben. Dies ist elementar.

Wir werden auch zeigen, dass, falls die Intensität der einwirkenden Kraft f im Modell (4) ein Rayleigh-Jeans Spektrum hat, die korrespondierende Strahlungsenergie Rν (T) ein ebensolches Spektrum hat. Präziser zeigen wir als ein Hauptresultat, dass

wobei der Balken Integration über die Zeit beschreibt und Proportionalität zur Konstanz der Leistungsgröße anzeigt. Dies ist weniger elementar und resultiert aus dem (ziemlich subtilen) Phänomen der Beinahe-Resonanz, das ausführlicher in [7] als Fortsetzung dieses Artikels dargestellt wird.

Um (10) zu beweisen, führen wir erst eine spektrale Dekomposition von x unter der Annahme einer Periodizität mit der Periode 2π

in einen Satz gedämpfter linearer Oszillatioren mit

durch.

Wir verwenden dann die Fourier-Transformation in t,

um unter der Annahme, dass durch ersetzt werden kann, zu erhalten:

Durch Parsevals Formel haben wir

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wobei wir die Änderung der Integrationsvariablen verwenden.

Als Definition der Beinahe-Resonanz nehmen wir nun an, dass

und dass ebenfalls klein ist, wobei wir verwenden, um Proportionalität mit einer∼ Konstanten nahe 1 anzuzeigen. Mit dieser Annahme erhalten wir

das heißt,

wobei die Intensität der abgestrahlten Welle der Frequenz ν ist und wir als Temperatur der entsprechenden Frequenz betrachten.

Aus (13) entnehmen wir, dass

welches das Rayleigh-Jeans Gesetz ist. Ferner, wenn , dann ist auch . Die emittierte Strahlung wird daher, im Temperaturgleichgewicht mit ,

für alle Frequenzen ν ein eintreffendes Rayleigh-Jeans Spektrum imitieren. Wir merken an, dass die Proportionalitätskonstante in unabhängig von γ und ν ist,

was die Tatsache widerspiegelt, dass die Saite eine gewisse Absorptivität (größer oder gleich ihrer Emissivität) besitzt.

Summiert über die Frequenzen erhalten wir

das heißt, die Intensität der gesamten ausgehenden Strahlung R ist proportional zur Intensität der eintreffenden Strahlung, wie sie durch gemessen wird; daher ist .Wir fassen zusammen in

Theorem 1 Die Strahlung des gedämpften Oszillators (11) mit der einwirkenden Kraft gemäß (12) genügt oder, nach Summation, R ∼ . Insbesondere, wenn

, dann ist mit .

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In ([7]) stellen wir eine Verbindung zur Beinahe-Resonanz in der Akustik her, die bei der Abstimmung eines Pianos mit den 3 Saiten für jeden Ton (außer den Basstönen mit jeweils nur einer Saite) erscheint, wenn sie mit einem Versatz von 0,5 Hz mit dem Effekt einer besseren Tonhaltung und Tonqualität des Klaviers gestimmt werden. In dieser Hinsicht ist die Strahlung eines Schwarzkörpers wie der volle Klang, der erzielt wird, wenn alle Tasten eines Klaviers gedrückt werden.

5 Strahlung durch Beinahe-Resonanz mit Dissipation

Wir haben gesehen, dass Strahlung in einem gedämpften Oszillator aus einer einwirkenden Kraft durch ein Phänomen der Beinahe-Resonanz der nachfolgenden Form resultiert

wobei die Kraft durch die Dynamik des Oszillators und des Strahlungskörpers mit dem Effekt der dissipativen Dämpfung (mit ) balanciert wird. Im Falle einer

starken Dämpfung mit wird dann hauptsächlich durch den Strahlungskörper ausbalanciert, das heißt mit dem Ergebnis, dass . Wir sehen, dass in diesem Fall in Phase mit der einwirkenden Kraft ist und es wenig Resonanz mit dem Oszillator gibt.

Wir betrachten als nächstes den Fall mit geringer Dämpfung und demzufolge Beinahe-Resonanz. Die Beziehung sagt uns, dass in diesem Fall durch die Dynamik sowohl des Oszillators als auch des Strahlungskörpers mit in und also ausser Phase ausgeglichen wird. Dies deshalb, weil ansonsten mit in Phase wäre, was

zum widersprüchlichen führen würde.

6 Absorption versus Emission

Im Wellenmodell (4) haben wir den Term mit Strahlung assoziiert, aber wenn wir einfach nur die Gleichung lesen, sehen wir nur einen dissipativen Term, der Energie absorbiert ohne eine Information darüber zu geben, wie diese Energie verteilt wird, indem sie beispielsweise abgestrahlt wird. Das Modell beschreibt daher Absorption durch die vibrierende Saite unter Krafteinwirkung und so, wie es geschrieben ist, nicht wirklich den Prozess der Emission von der Saite.

Wenn wir allerdings die Rollen von f und vertauschen und als Eingangsenergie betrachten, können wir f als eine emittierte Welle ansehen, die als Kraft auf ein anderes System einwirken kann. Für Frequenzen mit werden wir dann folgendes haben:

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was also einer durch Resonanz verstärkten Emission entspricht, wie in der durch Resonanz verursachten Verstärkung eines Musikinstruments (z. B. dem Körper einer Gitarre)

In beiden Fällen drückt die Beziehung aus, dass die Energie der absorbierten Strahlung gleich groß wie die der ausgehenden emittierten Strahlung ist.

7 Plancks Strahlungsgesetz

Wäre es nicht möglich, die Hypothese von Lichtquanten durch eine andere Annahme zu ersetzen, die auch zu den bekannte Phänomenen passen würde? Falls es notwendig ist, die Elemente der Theorie zu modifizieren, wäre es dann nicht möglich, mindestens die Gleichungen für die Fortpflanzung der Strahlung zu behalten und nur die elementaren Prozesse der Emission und Absorption auf eine andere Weise zu begreifen als sie bis jetzt wurden? (Einstein)

7.1 Planck handelt wie seinerzeit Alexander der Große

Das Rayleigh-Jeans Gesetz führt zu einer "ultravioletten Katastrophe", weil die Gesamt-Strahlung ohne irgendeine Form der Beschränkung bei hohen Frequenzen unbegrenzt wird. Die klassische Wellenmechanik scheint daher zu einer Absurdität zu führen, die auf die eine oder andere Art gelöst werden muss. In einem "Akt der Verzweiflung" entfloh Planck der Katastrophe, indem er den Gordischen Knoten durchschnitt und die klassische Wellenmechanik einfach mit einer neuen statistischen Mechanik ersetzte, bei der davon ausgegangen wurde, dass hohe Frequenzen selten waren: "eine theoretische Interpretation musste um jeden Preis gefunden werden, egal wie hoch dieser sein möge..." Das ist, wie ein gutes altes Pferd hinauszukicken, das einem für viele Zwecke gut gedient hat, nur weil es eine Tendenz hat, bei einem bestimmten Stimulus "ins Unendliche durchzugehen" und es durch ein vollständig neues wildes Pferd zu ersetzen, das man nicht versteht und nicht kontrollieren kann.

Der Preis für den Hinauswurf klassischer Wellenmechanik ist sehr hoch und es ist deshalb natürlich zu fragen, ob dies wirklich nötig ist. Gibt es eine Form klassischer Mechanik ohne die ultraviolette Katastrophe? Kann ein Kappen hoher Frequenzen ohne das Durchschneiden des Gordischen Knotens geleistet werden?

Wir glauben, dass dies möglich ist, und es ist sicherlich sehr wünschenswert, weil die statistische Mechanik sowohl schwierig zu verstehen wie auch anzuwenden ist. Wir werden deshalb eine Lösung präsentieren, in der Plancks statistische Mechanik durch deterministische Mechanik ersetzt wird und die Physik als eine Form der analogen Berechnung mit finiter Präzision mit einem bestimmten dissipativen diffusiven Effekt betrachtet wird, den wir durch digitale rechenintensive Mechanik, begleitet von einer bestimmten numerischen Dissipation, modellieren.

Es ist natürlich, die finite Präzsionsberechnung als einen dissipativen/diffusiven Effekt zu modellieren, weil finite Präzision bedeutet, dass kleine Details wie bei der Glättung durch Dämpfung hoher Frequenzen verloren gehen, was der Effekt der Dissipation durch Diffusion ist.

Wir betrachten die rechnerische Mechanik in Form der Allgemeinen Galerkin (G2) Methode für die Wellengleichung, wo der dissipative Mechanismus aus einer gewichteten Rest-Stabilisierung der kleinsten Quadrate (weighted least squares residual stabilization) [5] erwächst. Wir werden zuerst eine vereinfachte Form von G2 mit Stabilisierung der kleinsten Quadrate eines der restlichen

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Terme und einem entsprechenden vereinfachten Diffusionsmodell betrachten. Danach kommentieren wir die volle in G2 enthaltene restliche Stabilisierung.

7.2 Wellengleichung mit Strahlung und Dissipation

Wir betrachten die Wellengleichung (4) mit Strahlung, angereichert durch eine (vereinfachte) G2 Diffusion:

wobei Dissipation/Diffusion aus Geschwindigkeitsgradienten modelliert, δ = h/T eine kleinste Koordinatenlänge mit h als Präzsions- oder kleinster detektierbarer Veränderung repräsentiert und T die in Bezug zur internen Energie stehende Temperatur ist.

Die Relation nimmt die Form mit � an. Ein Signal mit kann nicht in kohärenter Form repräsentiert und deshalb nicht emittiert werden. Dies ist wie die La Ola-Welle um ein Stadion, die nicht aufrechterhalten werden kann, solange die Menschen ihre Arme nicht auf die richtige Art und Weise heben; je geringer der "Hub" (mit Hub als Temperatur), desto länger ist die benötigte Koordinations- oder Wellenlänge.

Wir sehen, dass die Wellengleichung hier um eine Gleichung für die interne Energie E ergänzt ist, die deshalb einen Beitrag aus der Dissipation liefert (der, wie oben, durch Multiplikation mit erhalten wird).

Wir nehmen an, dass eintreffende Frequenzen durch eine bestimmte maximale Frequenz begrenzt werden, wir wählen und nehmen an, dass ,

wobei eine bestimmte Ausschlussfrequenz ist.Wir begründen diesen Ansatz wie folgt: Wenn u eine Welle der Frequenz ν in x ist, dann haben

wir wegen

was das Vorhandensein beträchtlicher Dämpfung in (17) aus dem dissipativen Term kennzeichnet, da . Alternativ haben wir eine spektrale Dekomposition wie oben

und deshalb, weil

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Deshalb werden absorbierte Wellen mit gedämpft und nicht voll abgestrahlt, wobei die entsprechende fehlende Energie zur internen/Wärme-Energie E beiträgt und die Temperatur T anhebt. Wegen der Gestaltung des Terms , der einer vereinfachten Form der G2-Diskretisierung entspricht, werden wir auch eine Kappung für niedrigere Frequenzen finden. In echten G2-Berechnungen wird die Kappung einen geringen Effekt auf Frequenzen kleiner haben. In der Analyse nehmen wir an, dass dies der Fall ist, was dem entspricht, δ zu erlauben, von ν abhängig zu sein, so dass effektiv δ = 0 für . Wir erhalten dann ein Planck-Gesetz der Form

mit einem rechnerischen Hochfrequenz-Ausschlussfaktor und

für

Klarerweise ist es möglich, unterschiedliche Kappfunktionen zu postulieren, zum Beispiel exponentielle Kappfunktionen mit dem Effekt, dass für . Im nächsten Abschnitt studieren wir den Ausschluss (Kappung) in G2.

Das Nettoergebnis ist, dass absorbierte Frequenzen oberhalb der Ausschlussfrequenz die Saite erwärmen werden, während absorbierte Frequenzen unterhalb der Kappschwelle ohne weitere Erwärmung abgestrahlt werden (im idealen Fall wirkt die Dissipation nur oberhalb der Kappschwelle).

Falls die eintreffende Strahlung ein Rayleigh-Jeans Spektrum besitzt, dann gilt das auch für das abgestrahlte Spektrum mit für . Insbesondere wird das abgestrahlte Spektrum äquilibriert, indem alle Farben dieselbe Temperatur aufweisen, wenn das eintreffende Spektrum äquilibriert ist.

Eine andere Art, diese fundamentale Eigenschaft des auf den Eigenschaften einer vibrierenden Saite beruhenden Modells auszudrücken, ist zu sagen, dass Frequenzen unterhalb der Kappschwelle als kohärente Wellen absorbiert und abgestrahlt werden, während Frequenzen oberhalb der Kappschwelle absorbiert und in interne Energie der Form inkohärenter Wellen umgewandelt werden, die nicht abgestrahlt werden. Hohe Frequenzen können deshalb den Körper erwärmen und dadurch die Koordinationslänge verringern und die Absorption und Emission höherer Frequenzen erlauben.

Beachten Sie, dass die interne Energie E die Summe über die internen Energien der Frequenzen mit unter der Annahme eines Temperaturgleichgewichts und daher ist, was die Relation begründet.

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7.3 Kappung durch Rest-Stabilisierung

Die Diskretisierung in G2 wird durch Reststabilisierung einer Galerkin-Variationsmethode bewerkstelligt und kann folgende Form annehmen: finde , so dass für alle gilt:

wobei , V eine primitive Funktion für (mit ) und ein finites Raum-Zeit-Element ist, das kontinuierlich für den Raum und über eine Sequenz diskreter Zeitebenen diskontinuierlich für die Zeit ist.

Hier ist der Rest, und die Reststabilisierung erfordert, dass begrenzt ist, was in der Analyse mit der Dissipation verglichen werden sollte mit als einem Term des Ausdrucks . Die volle Reststabilisierung hat unterhalb der Kappschwelle geringe Auswirkungen, wirkt sich oberhalb der Kappschwelle wie vereinfachte Stabilisierung aus und führt effektiv die Kappung zu 0 für ein, weil dann , was

massive Dissipation kennzeichnet.

7.4 Die Sonne und die Erde

Falls ein eintreffendes Spektrum der Temperatur durch den Faktor 1 abgeschwächt wird (der einen festen Eintrittswinkel << 180°repräsentiert), berechnet sich die eintreffende Strahlung zu

mit Kappung für (und nicht für ).

Dies mag die eintreffende Strahlung von der Sonne repräsentieren, mit von der Erde aus betrachtetem Einfallswinkel der Sonne, R dem Radius der Sonne und D der Distanz Sonne-Erde. Die Amplitude der eintreffenden Strahlung wird deshalb um den Faktor κ, reduziert, während die Kappung des Spektrums immer noch beträgt.

Die Erde, die sich bei der Temperatur T wie die vibrierende Saite verhält, wird die absorbierte Strahlung für Frequenzen in Wärme umwandeln, d. h., solange , während sie mit

abstrahlt und mit absorbiert und auf diese Weise den Gleichgewichtszustand mit

erreicht. Mit = 5778 K und κ = 0,0052 ergibt dies T ≈ 273K (einschließlich eines

Faktors 4, der aus der Tatsache resultiert, dass die [projizierte] Scheibenfläche der Sonne πR2 und die Oberfläche der Erde 4πr2 mit r als Erdradius ist).

Die Amplitude der von der Sonnenoberfläche bei 5778 K emittierten Strahlung/des Lichts wird, von der Erde aus betrachtet, durch den Einfallswinkel skaliert (der mit dem Quadrat der Distanz Sonne-Erde skaliert), während das Lichtspektrum, das das sichtbare Spektrum, zentriert um 0,5 µm abdeckt, dasselbe bleibt. Die Erde emittiert infrarote Strahlung (außerhalb des sichtbaren Spektrums zentriert um 10 µm) bei einer effektiven Schwarzkörper-Temperatur von 255 K (auf einer Höhe von 5 km) und folglich mit nahezu keiner Überlappung mit dem eintreffenden solaren Spektrum. Die Erde absorbiert also hochfrequente Strahlung mit reduzierter Amplitude und emittiert niederfrequente Strahlung und agiert auf diese Weise als Strahlungstransformator von hoher zu

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niedriger Frequenz: Kohärente hochfrequente Strahlung wird absorbiert und in inkohärente Wärmeenergie dissipiert, die ihrerseits als kohärente niederfrequente Strahlung emittiert wird.

Die Transformation wirkt sich nur von hochfrequenter auf niederfrequente Strahlung aus und ist ein irreversibler Prozess, der ein 2. Gesetz [der Thermodynamik] repräsentiert.

7.5 Die Temperatur der Strahlung

Die Temperatur der eintreffenden Strahlung mit einem attenuierten (abgeschwächten) Planck-Spektrum mit Kappung für kann aus der Kappung abgelesen werden (Wiens Gesetz), während die Amplitude diese Information nicht trägt, solange der Attenuationsfaktor κ nicht bekannt ist. Für das ausgehende Spektrum merkten wir an, dass , da eine Erwärmung nach der Absorption eine dissipative Kappung erfordert, die wiederum erfordert, dass die eintreffende Strahlung höhere Frequenzen als die ausgehende enthält, und das ist nur möglich, wenn die Temperatur der eintreffenden Strahlung höher als die gegenwärtige Temperatur des absorbierenden Körpers ist, wie auch in der grundlegenden Energiebilanz (5) ausgedrückt: Energie wird nur vom Wärmeren zum Kälteren transferiert.

7.6 Radiative Erwärmung versus Resonanz

Wir haben gesehen, dass die vibrierende Saite durch eintreffende Frequenzen oberhalb der Kappschwelle durch einen dissipativen Mechanismus erwärmt wird, der durch eine einwirkende Kraft in Phase ohne Resonanz wirkt, während Frequenzen unterhalb der Kappschwelle einen radiativen Mechanismus außer Phase, aber mit Resonanz auslösen.

Abbildung 5: Schwarzkörper-Spektrum der Sonne und der Erde.

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7.7 Ein Fourier-Gesetz radiativen Wärmetransfers

Nehmen wir an, eine eintreffende Wärmestrahlung mit dem Spektrum und der Temperatur (mit κ ≤ 1) werde absorbiert und dann mit dem Spektrum . emittiert. Der

Erwärmungseffekt durch die Frequenzen oberhalb der Kappschwelle bei T, unter der Annahme, dass h = 1, ist dann durch folgende Gleichung gegeben:

Dies kann als ein Fourier-Gesetz betrachtet werden, bei dem die Erwärmung proportional zur Temperaturdifferenz ist. Beachten Sie, dass es keine Erwärmung geben wird, wenn

, da es dann keine Kappung gibt: die gesamte absorbierte Strahlung wird emittiert.

7.8 Das 2. Gesetz und Irreversibilität

Die radiative Erwärmung eines Schwarzen Körpers ist ein irreversibler Prozess, weil die Erwärmung aus der Dissipation mit kohärenter hochfrequenter Energie oberhalb der Kappschwelle resultiert, die in interne Wärmeenergie transformiert wird. Wir haben gezeigt, dass radiative Erwärmung voraussetzt, dass die die Temperatur der eintreffenden Strahlung höher als die des absorbierenden Körpers ist.

Wir nehmen an, dass die Dissipation nur oberhalb der Kappung aktiv ist, während sich die Strahlung über das gesamte Spektrum auswirkt. Unterhalb der Kappschwelle ist die Wärmestrahlung ein reversibler Prozess, da dasselbe Spektrum emittiert wie absorbiert wird. Der Strahlungsterm ist formal dissipativ und man würde daher erwarten, dass das Spektrum transformiert wird und die Tatsache, dass dies nicht geschieht, ist ein bemerkenswerter Effekt der Resonanz.

7.9 Aspekte radiativen Wärmetransfers

Wir können Aspekte radiativer Erwärmung in vielen verschiedenen Szenarien finden, als Wärmeleitung oder bei kommunizierenden Gefässen, wobei sich der Fluss immer vom höheren (Temperatur) Niveau zum niedrigeren Niveau vollzieht. Aber radiativer Wärmetransfer ist in dem Sinne reicher, dass er die Fortpflanzung sowohl von Wellen als auch Energie beinhaltet.

Lassen Sie es uns mit einer Parallele aus der Psychologie versuchen: Wir wissen, dass triviale Botschaften, die von einem Elternteil abgestrahlt werden, in ein Ohr des Kindes hinein und aus dem anderen herausgehen, während auf weniger triviale Botschaften überhaupt nicht gehört wird. Allerdings könnte die Wachsamkeit des Kindes als Resultat eines "Hochtemperatur"-Ausbruchs des Elternteils erhöht werden, wodurch der Verstand des Kindes dafür geöffnet werden könnte, weniger triviale Botschaften zu absorbieren/abzustrahlen. Wir würden hier zwischen der Fortpflanzung von Botschaft und Bedeutung unterscheiden.

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7.10 Reflektion versus Schwarzkörper-Absorption/Emission

Ein Schwarzer Körper emittiert, was er absorbiert , und es ist deshalb natürlich zu fragen, was diesen Prozess von einfacher Reflektion unterscheidet (z. B. f → −f mit ). Die Antwort ist, dass sich die Mathematik/Physik der Schwarzkörperstrahlung fundamental von der einfachen Reflektion f → −f unterscheidet. Die Saite, die einen Schwarzen Körper repräsentiert, wird in Resonanz mit einer einwirkenden Kraft in Schwingung versetzt und die vibrierende Saite emittiert resonante Strahlung. Eintreffende Wellen werden deshalb im Schwarzkörper/in der Saite absorbiert und dann in Abhängigkeit von der Temperatur des Körpers emittiert. Bei der einfachen Reflektion gibt es keinen absorbierenden/emittierenden Körper, sondern nur eine reflektierende Oberfläche ohne Temperatur[einfluss].

7.11 Der Schwarze Körper als Strahlungsumwandler

Die Erde absorbiert die einfallende Strahlung der Sonne mit einer Planckschen Frequenz-Verteilungscharakteristik der Oberflächentemperatur der Sonne von etwa 5778 K und einer Amplitude, die vom Verhältnis des Durchmessers der Sonne mit der Distanz der Erde von der Sonne abhängt. Die Erde als ein Schwarzer Körper transformiert die eintreffende Strahlung in eine abgehende Schwarzkörperstrahlung der Temperatur von ungefähr 288 K, so dass sich die eintreffende und ausgehende Gesamtenergie im Gleichgewicht befindet.

Die Erde agiert daher als ein Strahlungsumwandler und transformiert, unter Konservierung der Energie, eintreffende hochfrequente Strahlung mit niedriger Amplitude in ausgehende Strahlung niedriger Frequenz und hoher Amplitude.

Dies bedeutet, dass hochfrequente eintreffende Strahlung in Wärme transformiert wird, die sich als niederfrequente ausgehende Infrarotstrahlung zeigt, so dass die Erde mehr Infrarotstrahlung emittiert als sie von der Sonne absorbiert. Dieser Anstieg ausgehender Infrarotstrahlung ist nicht ein Effekt von Gegenstrahlung [der Atmosphäre], da er auch ohne Atmosphäre vorhanden wäre.

Die Spektren der eintreffenden Schwarzkörperstrahlung der Sonne und der ausgehenden infraroten Schwarzkörperstrahlung der Erde haben wenig Überlappung, was bedeutet, dass die Erde als ein Schwarzkörper-Umwandler eintreffende hochfrequente Energie verteilt, so dass alle Frequenzen unterhalb der Kappfrequenz dieselbe Temperatur erhalten. Dies steht in Verbindung mit der Grundannahme der statistischen Mechanik einer Gleichverteilung der Energie oder eines thermischen Gleichgewichts mit einer gemeinsamen Temperatur.

Im obigen Modell übernimmt der absorbierende Schwarzkörper die Gleichverteilung der eintreffenden Strahlung (unterhalb der Kappschwelle) und emittiert dadurch auch ein gleichverteiltes Spektrum. Sicherzustellen, dass ein emittiertes Spektrum selbst dann gleichverteilt ist, wenn die einwirkende Kraft kein solches Spektrum besitzt, erfordert einen Mechanismus, der das System in Richtung Gleichverteilung oder thermisches Gleichgewicht treibt.

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7.12 Beziehung zur Turbulenz

Die rechnerische Dissipation in unserem Strahlungsmodell wirkt wie eine turbulente Dissipation in einer leicht viskosen Strömung, in der hochfrequente kohärente Energie in Wärmeenergie der Form geringfügig inkohärenter kinetischer Energie transformiert wird. Der kleine Koeffizient γ der Strahlungsformel korrespondiert mit einem kleinen Viskositätskoeffizienten bei der Strömung von Flüssigkeiten.

Da γ klein ist, ist die emittierte Welle in gewissem Sinne eine kleine Perturbation, doch dies wird durch die Ableitung dritter Ordnung im Strahlungsterm mit dem Effekt kompensiert, dass die abgestrahlte Energie nicht klein ist. Oder anders ausgedrückt: die Temperatur beinhaltet erste Ableitungen (quadriert) und die abgestrahlte Energie eine zweite Ableitung multipliziert mit einem kleinen Faktor. Ohne den dissipativen Strahlungsterm kann die Saite die absorbierte Energie nicht emittieren und die Temperatur wird unbegrenzt ansteigen. Mit Abstrahlung wird die Temperatur durch die Temperatur der eintreffenden Welle limitiert.

7.13 Stefan-Boltzmann-Gesetz für zwei Schwarze Körper

Das klassische Stefan-Boltzmann-Gesetz beschreibt die abgestrahlte Energie eines Schwarzen Körpers der Temperatur T in eine Umgebung einer Temperatur von absolut Null (0 K ). Für den Fall einer Aussentemperatur oberhalb Null präsentiert die Standardliteratur die folgende Modifikation:

wobei der Term im konventionellen Fall die "Gegenstrahlung" von der Umgebung zum Schwarzen Körper repräsentiert. Es ist wichtig zu verstehen, dass dies eine Konvention ist, die durch sich selbst nicht beweist, dass es einen bidirektionalen Energiefluss mit abgestrahlter und eintreffender Energie gibt.

In unserer Analyse gibt es keinen solchen bidirektionalen Fluss der Wärmeenergie, nur einen Fluss der Netto-Energie, die sich ergibt, wenn wir (21) in der folgenden differenzierten Form schreiben:

Hierbei gibt es nur einen Term und nicht den Unterschied zwischen zwei Termen. Die schlichte Benennung von etwas bringt es nicht in die physische Existenz.

7.14 IR Kamera

Eine IR Kamera hat Sensoren, die auf verschiedene Frequenzen eintreffender infraroter Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektrums reagieren und kann daher ein photographisches Bild

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eines unsichtbaren Objekts liefern. Indem das Bild künstlich mit rot für die kürzeren und blau für die längeren Wellenlänge eingefärbt und gemäß Wiens Verschiebungsgesetz die Frequenz mit der Temperatur in Beziehung gesetzt wird, kann das Bild als ein auf eine Distanz wirkendes Thermometer gelesen werden.

Indem die Temperatur durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz mit radiativer Wärmeenergie in Beziehung gesetzt wird, könnte eine IR Kamera fälschlich als ein Instrument gesehen werden, das den Fluss radiativer Wärmeenergie misst. Durch Ausrichten dieses Instrument in Richtung des (bewölkten ) Himmels könnte der Messwert des Instruments 324 W/m2 betragen, was von den Alarmisten als experimenteller Beweis einer substantiellen Gegenstrahlung präsentiert werden könnte: da das Instrument Gegenstrahlung anzeigt, muss die Gegenstrahlung existieren, richtig?

Nein, so einfach ist es nicht. Was das Instrument misst, ist Frequenz, die, einigermassen die Realität widerspiegelnd, mit der Temperatur in Beziehung gesetzt werden kann, aber die Beziehung zu einer massiven "abwärts gerichteten" Strahlungsenergie wird schlicht und einfach nur durch eine bestimmte Formel postuliert, und unsere Analyse zeigt, dass dies Fiktion anstatt Realität ist.

8 Klima-Alarmismus und Gegenstrahlung

Es ist so gut wie sicher, dass die Erhöhung der atmosphärischen Konzentrationen von Kohlendioxid und anderer Treibhausgase eine Erwärmung des globalen Oberflächenklimas verursachen werden. (American Geophysical Union)

Wir kennen die Wissenschaft, wir kennen die Bedrohung, und die Zeit zu handeln ist jetzt. (Arnold Schwarzenegger)

Es gibt viele, die immer noch nicht glauben, dass globale Erwärmung überhaupt ein Problem sei. Und das ist kein Wunder: weil sie Ziel einer massiven und wohl organisierten Desinformationskampagne sind, die freigebig von Verschmutzern finanziert wird, die aus Furcht vor einer Beeinflussung ihrer Profite entschlossen sind, jede Aktivität zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen als Verursacher der globalen Erwärmung zu verhindern, wenn sie damit aufhören müssten, so viele Verunreinigungen in die Atmosphäre abzuladen. (Al Gore)

Das globale Klima kann als ein thermodynamisches System mit Gravitation beschrieben werdem, das dem Einfluss einer radiativen Kraft durch Schwarzkörperstrahlung unterliegt. Das Klima zu verstehen setzt folglich ein Verständnis der Schwarzkörperstrahlung voraus. Eine Hauptlektion dieses Kapitels ist, dass "Gegenstrahlung" unphysikalisch ist, weil sie instabil ist und keine Rolle spielt und deshalb aus der Klimawissenschaft beseitigt werden sollte, vergleiche Abbildung 4.

Da der Klima-Alarmismus auf einem auf "Gegenstrahlung" basierenden "Treibhauseffekt" aufbaut, beseitigt die Entfernung der Gegenstrahlung die Haupt-Energiequelle des Klima-Alarmismus.

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Literaturverweise

[1] Arthur C. Clarke: If a scientist says that something is possible he is almost certainly right, but if he says that it is impossible he is probably wrong.

[2] A. Einstein, On a Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light, Ann. Phys. 17, 132, 1905.

[3] Einstein: I consider it quite possible that physics cannot be based on the field concept, i.e., on continuous structures. In that case, nothing remains of my entire castle in the air, gravitation theory included, and of the rest of physics. (Einstein 1954)

[4] Einstein: What I wanted to say was just this: In the present circum- stances the only profession I would choose would be one where earning a living had nothing to do with the search for knowledge. (Einstein's last letter to Born Jan 17 1955 shortly before his death on the 18th of April, probably referring to Born's statistical interpretation of quantum mechanics).

[5] J. Hoffman and C. Johnson, Computation Turbulent Incompressible flow, Springer 2008.

[6] J. Hoffman and C. Johnson, Computational Thermodynamics, http://www.nada.kth.se/cgjoh/ambsthermo.pdf

[7] C. Johnson, Near-Resonance with Small Damping, http://www.csc.kth.se/ cgjoh/resonance.pdf .

[8] Thomas Kuhn, Black-Body Theory and the Quantum Discontinuity, 1894-1912, Oxford Univ Press 1978.

[9] Robert A Millikan, The electron and the light-quanta from the experi- mental point of view, Nobel Lecture, May 23, 1923.

[10] NASA Earth Observatory http :// earthobservatory.nasa.gov / Features / EnergyBalance / .

[11] Max Planck, Acht Vorlesungen ¨uber Theoretische Physik, F¨unfte Vorlesung: Wärmestrahlung und Elektrodynamische Theorie, Leipzig, 1910.

[12] Schrödinger, The Interpretation of Quantum Physics. Ox Bow Press, Woodbridge, CN, 1995: What we observe as material bodies and forces are nothing but shapes and variations in the structure of space. Particles are just schaumkommen (appearances). ...Let me say at the outset, that in this discourse, I am opposing not a few special state- ments of quantum physics held today (1950s), I am opposing as it were the whole of it, I am opposing its basic views that have been shaped 25 years ago, when Max Born put forward his probability interpretation, which was accepted by almost everybody.

[13] H.D. Zeh, Physics Letters A 172, 189-192, 1993.

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[14] Abraham-Lorentz force, Wikipedia http :// en.wikipedia.org / wiki / Abraham – Lorentz_force .

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