Fragen zu Wellen (Physik)
Hallo liebe Community,
ich habe grundsätzlich Probleme mir eine Welle 3-dimensional vorzustellen. Was ich noch nachvollziehen kann, ist eine sich kreisförmig ausbreitende Welle, wenn man einen Stein ins Wasser wirft. Klar, das kann man ja auch mit dem Auge beobachten. Hier verstehe ich den Zusammenhang auch noch. Der Stein verdrängt mehrere Teilchen und die stoßen die nächsten an usw. Auf diesem Weg wird die Aufschlagsenergie des Steins im Medium quasi verteilt / absorbiert. Ich bin nicht vom Fach, aber ich würde sagen, in diesem Beispiel ist die Welle nichts eigenständiges, sondern die Summe aller Teilchenbewegungen. Korrigiert mich, wenn ich falsch liege :)
Aber wie kann ich mir elektromagnetische Strahlung vorstellen, die sich als Welle im Vakuum bewegt?!? Hier mangelt es an Teilchen, die für die Übertragung genutzt werden können. Es gibt ja immer dieses 2-dimensionale Bild einer Sinuskurve, die wie ein Faden auf und ab geht, während sie von Punkt A zu Punkt B fließt. Aber wie siehts im 3-dimensionalen Raum aus? Geht die Welle/ das Photon (aus Sicht des Photons, das von der Sonne zur Erde rast) tatsächlich nur nach oben und unten? Oder auch nach links und rechts? Kann ich mir ein Photon, das von der Sonne kommt, wirklich so vorstellen, dass es sich wie ein Faden durch den Raum schlängelt? Und wie weit ist die Ausdehnung einer Welle eines einzelnen Photons nach links und rechts / oben und unten?
Es wäre toll, wenn hier jemand mein Verständnis der Welt erweitern könnte :)
Vielen Dank im Voraus
6 Antworten
Die Frage ist zwar schon fast 2 Monate her, aber ich antworte mal trotzdem, da mich die Frage auch lange Zeit beschäftigt hat xD
Zunächsteinmal zur reinen Ausbreitungsform der Welle, was ja aber anscheinend schon erklärt und verstanden wurde. Die Welle an sich breitet sich von dem Ort, von dem das Photon emitiert wird Kugelförmig in alle Richtungen aus. Die Sinuskurven des E- bzw M-Feldes sind in diesem Falle nicht direkt Räumlich zu verstehen. Die Auslenkung der Sinusfunktion (also der Wert bzw die Höhe zu einer bestimmten Zeit oder an einem Ort) gibt dir die Stärke des Feldes an, die ja natürlich keine räumliche Dimension hat. Bildlich kannst du dir das so vorstellen, wie eine sich ausbreitende Kugel(welle), die eine Farbe hat. Und die Stärke der Farbe gibt die Auslenkung der Sinusfunktion bzw Feldstärke an.
Somit hast du also eine sich von der Quelle ausbreitende Kugel, welche in einer Farbe Pulsiert (und die Farbveränderung ist mathematisch gesehen Sinusförmig).
Das zweite Anschauungsproblem war ja so weit ich das verstanden habe, das Feld. Nun ja das ist Physikalisch wirklich knifflig. Aber ich erkläre es mal von der mathematischen Sicht (natürlich ohne Formeln). Nach der Quantenmechanik hat jede fundamentale Wechselwirkung (also zB die elektromagnetische Kraft) und jedes Materieteilchen ein Feld. Wellen in diesem Feld sind Teilchen (ich komme später noch dazu). Diese Felder haben an jeder Stelle einen Wert, der wenn keine Teilchen vorhanden sind 0 ist. Dies ist dann die Feldstärke bzw Auslenkung der Sinuskurve oder im Obigen bild die Farbe (je höher der Wert, desto stärker die Farbe). Stell dir einfach vor, du ordnest jedem Punkt im Raum eine Zahl zu, die du dann wie oben farbig darstellst. Damit du nicht mit unendlichkeiten konfrontiert wirst, kannst du dir den Raum ja gewürfelt vorstellen, also wie ein Gitter und jeder Würfel bekommt eine Zahl (je höher die Sinuskurve, desto höher die Zahl). Und diese Felder sind im ganzen Universum ausgedehnt. So kann zb auch ein Elektron den zustand aller anderen "wissen" oder verschränkte Photonen miteinander interargieren, weil sie ja beide in einem Feld sind.
Ja und nun das schwierigste: der Welle- Teilchendualismus. In der Quantenfeldtheorie wird dieser eigentlich aufgehoben, aber anschaulich ist es trotzdem nicht. Die Felder sind (wie so vieles) gequantelt. Das bedeutet, wenn du das Feld jetzt anregst (wie wenn du zB an ein unendlich ausgedehntes Gummituch zupfst), dann entsteht natürlich eine Welle mit der Energie dieser Anregung. Dass die Felder gequantelt sind, bedeutet nun, dass nur mit einer minimalsten Anregung zupfen kannst, es also einen kleinsten Energiewert für eine Welle gibt. und eine Anregung/Welle mit eben dieser Energie ist ein Photon. Das breitet sich zunächst auch kugelförmig aus (es ist ja immernoch eine Welle) und kann somit auch zB an einem doppelspalt interferieren (wie eine Welle). Wenn diese Welle jetzt aber an einem Ort gemessen wird, zB wird es von einem Elektron absorbiert, dann wird diese Energie vollständig an das Elektron übergeben (welches auch eine Welle ist, aber wir wollen es ja nicht zu kompliziert machen), da ja durch die quantelung nicht wehniger abgegeben werden kann. Dadurch verschwindet aber sofort (also schneller als mit lichtgeschwindigkeit) die Welle an allen anderen Orten (kollaps der Wellenfunktion). Ist zwar nicht gerade anschaulich, aber das ist eben so.
Wenn du eine Welle hast, die mehr Energie enthält als die minimalste (aber immer ganze vielfache davon), hast du eben viele Photonen (Es können aber auch viele Wellen hintereinander sein). Und wenn diese Welle jetzt auf ein Elektron trifft, kann es der Welle wieder die Energie eines Photons an diesem Ort (was dann dann ja nur an diesem Punkt stattfindet und deswegen beobachten wir sie als Teilchen) entziehen wodurch die Welle nun einfach wehniger Energie hat. Wie eine Ozeanwelle, die einen Wasserball nach oben schleudert und damit an Energie (und so an Höhe bzw in unserem obigen Beispiel an Farbe verliert).
Und nach diesem Feldprinzip funktioniert alles. Sowohl die Materie (wobei sich die Wellen da kaum ausbreiten) als auch eben die Austauschteilchen bei einem Magneten oder in einem Atom oder die sichtbaren Photonen und ewl auch bei der Gravitation.
Ich hoffe ich konnte trotz des sehr komplexen Themas ein wehnig Anschauung ins spiel bringen, auch wenn es recht Theoretisch/Mathematisch erklärt war. Aber anders geht es meines Wissens auch nicht, weil diese Theorien ja auch nur rein mathematische Modelle sind.
LG Marvin
Oh, und um das vielleicht ein wehnig Anschaulicher zu machen mit dem Welle-Teilchen-Dualismus. Auch die uns doch recht anschaulichen Schallwellen sind gequantelt und man kann sie somit als Teilchen beschreiben. Es gibt zB tatsächlich eine kleinstmögliche Schallwelle (sozusagen die leiseste Schallwelle, die man erzeugen kann). Eine kleinere Energiemenge kann man dann nicht mehr an das Schallmedium abgeben und diese Schallwelle ist dann sozusagen das äquvalent zum Photon in dem EM-Feld. Das Teilchen ist ein Quasi-Teilchen weil es nur durch andere Teilchen bestehen kann (also zB die bewegten Luftmoleküle) und bei Schall nennt es sich in Anlehnung an das Licht "Phonon".
Denke Dir eine Schallwelle mit der Wellenlänge 4m, die von einer punktförmigen Schallquelle Q ausgeht. Dann herrscht zu einem gewissen Zeitpunkt auf allen Punkten mit Abstand r von Q, also auf einer Kugeloberfläche/ Sphäre Überdruck, auf der Sphäre mit r + 2 Unterdruck, bei r + 4 wieder Unterdruck, bei r + 1 und r + 3 Normaldruck usw. Nun dehnen sich alle diese Sphären mit Schallgeschwindigkeit c aus, dh. r wächst mit c.
Ähnlich bei elektromagnetischen Wellen von einem punktförmigen Sender S zB auch mit Wellenlänge 4m. Zum Zeitpunkt t ist auf allen Punkten mit Abstand r von S die el. Feldstärke +E und auf denen mit r + 2 Feldst. - E , bei r + 1 ist Feldstärke 0 usw. Der Radius aller dieser Sphären wächst mit Lichtgeschw.
Jetzt müsste ich nur noch wissen, was man sich unter einer Feldstärke E+ vorstellen kann. Hab mal ein bisschen rumgelesen und denke, dass hier ein Elektronenmangel herrscht. E- hingegen müsste dann ein Elektronenüberschuss sein. Aber das kann ja eig. auch nicht hinhauen, da es im Vakuum ja nichts (auch keine Elektronen) gibt. Oder sind das vielleicht virtuelle Teilchen?
Elektronen erzeugen zwar ein E Feld, aber eben auch zwischen den Elektronen wo der Raum leer ist. Eine EM-Welle brauch keine Teilchen (Träger) sie trägt sich selbst. Denk doch mal an die Schwerkraft, die gibt es auch, und die gibt es auch im Vakuum.
Die Schwerkraft gibt es auch im Vakuum, da hast du natürlich Recht. Aber soweit ich weiß, nimmt man an, dass Schwerkraft von Gravitonen - also von Teilchen - vermittelt wird.
Du sagst "eine EM-Welle brauch keine Teilchen (Träger) sie trägt sich selbst. Das ist wieder so eine Sache, die ich mir absolut nicht vorstellen kann ^^ Wie soll sich etwas selbst tragen, dass rein massetechnisch betrachtet, gar nicht da ist? Das stößt bei mir an die Grenze meiner Vorstellungskraft.
Achherrje...
eben noch dachte ich, dass ich mir jetzt vorstellen könnte, wie sich Licht wellenartig von der Sonne in alle Richtungen bewegt, nun da ich den Unterschied zwischen Longitudinalwellen und Transversalwellen gegoogelt habe, bin ich wieder verwirrt ^^
Longitudinalwellen, die sich schalenförmig von einem Objekt weggbewegen, kann ich mir gut vorstellen. Aber wie sollte eine schalenförmige Transversalwelle aussehen? Geht das überhaupt? Diese Transversalwellen kann ich mir nur als sich auf und abbewegende Fäden vorstellen, die sich durch den Weltraum schlängeln. Wie sollen die ein dreidimensionales Gebilde bilden?
Vergiss doch mal für eine Weile, dass die el. Feldstärke ein Vektor ist und eine Richtung hat, und denke nur daran, dass die Sphären bzw. "Schalen" die Orte gleicher Feldstärke (bzw. Betrag der Feldstärke) sind, so wie beim Schall die Orte gleichen Druckes.
Vllt hilft es erstmal sich über ein elektromagentisches Feld im klaren zu werden was das ist. Eine elektromagnetische Welle ist dann im Grunde nur die ständige Änderung des EM Feldes.
Das sind aber unterschiedliche Arten von Wellen. Lese dazu
Longitudinalwellen und Transversalwelle
Es gibt nur Modelle der Quantenphysik, sie entsprechen aber nicht den eigentlichen Tatsachen sondern sind nur dafür da damit wir es uns vorstellen können. Ebenso wie man in der Schule lernt das Elektronen um Atomkreise kreisen. Streng genommen ist das auch falsch. Quantenphysik kann man nicht verstehen sondern muss das meiste einfach so hinnehmen wie es ist.
Aus dem Grund hast du auch Schwierigkeiten etwas aus der Quantenphysik durch normale Physik erklären zu wollen.
Das heißt, diese Art von Wellen kann man räumlich nicht darstellen?
Aber alles "ist" doch irgendwie! Elektromagnetische Wellen sind doch nichts ausgedachtes, sondern etwas Echtes mit einer ihnen zugrundeliegenden Realität, sonst wären sie ja nicht da!
Sind wir vielleicht einfach noch nicht weit genug in der Wissenschaft, um so etwas anschaulich darstellen zu können?
Es geht darum dass man sich manche Dinge nicht veranschaulichen kann. Da limitiert der Mensch. Lies dich mal ein zum Thema Quantenphysik. Quantenphysik ist für uns Menschen nunmal "unlogisch" und daher nicht wirklich vorstellbar.
Ein "Lichtteilchen" hat nichtmal zu jeder Zeit einen fest definierten Ort an dem es sich grad aufhält. Ebenso wenig können wir beispielsweise vorhersagen wann ein einziges radioaktives Atom zerfällt, das passiert rein zufällig und ist dem Atom in keinsterweise anzusehen dass es im nächsten Moment zerfallen wird.
Welle ist nicht gleich Welle. Es gibt unterschiedliche Arten von Wellen:
1. Wellen, die ein Medium brauchen
zB. Wasser- oder Schallwellen , die können sich nur in Wasser oder Schall fortbewegen.
2.Wellen, die kein Medium brauchen
zB. Elektromagnetische Wellen (jedoch dachte man lange, sie bräuchten ein Medium)
3. Wahrscheinlichkeitswellen
Ein Konzept aus der Quantenmechanik , wo der ort eines Quants mit einer Wahrscheinlichkeit angegeben werden muss , weil es sich in Überlagerung mehrerer Zustände befindet.
Es gibt noch viele andere Arten von Wellen, das sind nur einige.........
Ich korrigiere mich : Nicht nur der Ort eines Quantenobjektes kann sich in Zustandsüberlagerung befinden.
... was ja eigentlich auch ein SEHR schwerwiegender Fehler war........
Die Darstellung also zum Beispiel Sinuskurve ist nur eine Abbildung eines Zustandes.
Bei Schallwellen ist es im Grunde nur der Druck über den Weg. Der in alle Raumrichtungen bei einer Punktquelle gleich ist.
Und das gleiche gilt auch für das Licht wenn man es als Welle betrachtet. Nur das hier kein Druckunterschied übertragen wird sondern Energie übertragen wird. Und das geschieht mit Teilchen deren Ruhemasse=Null ist den Photonen.
Da diese Strahlung Elektromagnetisch ist ergibt es sich das ein Elektrisches und ein Magnetisches Feld senkrecht aufeinander wirken. Dieses Umpolen macht den Wellencharakter aus.
Das Problem ist sowas kann man sich räumlich nicht vorstellen weil einem dazu die Dimensionen ausgehen. Du kannst es dir so Vorstellen das du zum einen wie bei der Luft einen Druckverlauf hast und zusätzlich noch sich die Farbe der Luft ändern würde.
Gleichzeitig haben wir bei Licht das Problem des Welle-Teilchen-Dualismus es sind einzelne Teilchen die da fliegen.
Deswegen würde ich mir einfach ein Teilchen vorstellen das mit vielen anderen fliegt und dann irgendwo ankommt und mich somit auf den Teilchencharakter beziehen weil Wellen kann man sich schwer vorstellen.
Ja das meinte ich ja mit der Quantenphysik. Da passieren Dinge die man nicht 1:1 in die klassische Physik übertragen kann. Bei der Quantenphysik stößt man auch an Dinge die man nicht weiter erklären kann sondern einfach so hinnehmen muss, wie sie sind.
Ahh, ich glaube du hast mein Verständnis gerade radikal erweitert :) D.h. diese Sinuswellen, die man auf vielen Anschaubildchen sieht, sind immer nur ein Teil des Querschnittes einer Welle, die sich "schalenförmig" um ein Objekt ausbreitet. Ich dachte immer, man müsste sich so einen Faden vorstellen, der sich wie eine Schlange auf und ab durch den Weltraum bewegt ^^ Aber das, was du sagst, machst auf jeden Fall mehr Sinn :) Danke :)
Bei dem Beispiel mit Schallwellen kann ich es mir gut vorstellen. Das ist es auch einfacher das im Kopf zu realisieren, weil dort Teilchen im Spiel sind. An den Stellen, wo kurzweilig der Überdruck herrscht, ist also einfach die Teilchendichte höher. Bei Unterdruck natürlich niedriger.
Jetzt müsste ich nur noch wissen, was man sich unter einer Feldstärke E+ vorstellen kann. Hab mal ein bisschen rumgelesen und denke, dass hier ein Elektronenmangel herrscht. E- hingegen müsste dann ein Elektronenüberschuss sein. Aber das kann ja eig. auch nicht hinhauen, da es im Vakuum ja nichts (auch keine Elektronen) gibt. Oder sind das vielleicht virtuelle Teilchen?
Wenn du mir das noch so anschaulich, wie oben, beschreiben würdest, würdest du mich sehr glücklich machen ^^