Frage von ScoreMagnet, 57

Licht Welle oder Teilchenstrom?

Diese Frage stellen sich viele Physiker, da Licht Eigenschaften beider Sachen (welle und strom) aufweist.

Aber kann es nicht sein, dass es sich um einen Teilchenstrom handelt, dessen Teilchen sich während des Vorwärtsströmens in einer Wellenart bewegen. Also sich zwar Wellenartig bewegen, aber dennoch "strömen"? Das würde doch das Rätsel lösen.

Oder kann das aus irgendeinem Grund nicht sein?

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 6

Es gibt keine Wellen, die nicht aus unteilbaren Energieportionen zu

(1) ε = hf = ħω

aufgebaut wären, selbst Schall (Phononen).

Andererseits gibt es auch keine Teilchen, die nicht einen Wellencharakter hätten, deren Energie ε also nicht mit einer Kreisfrequenz

(2) ω = ε/ħ.

und deren Impuls |p> nicht mit einem Wellenvektor

(3) |k> = |p>/ħ

korrespondierte. Die Vorstellung allerdings, so ein Teilchen bewege sich in einer Art Schlangenlinie vorwärts, ist falsch. Damit hat der Wellencharakter des Teilchens nichts zu tun. So bewegen sich auch Wellen nicht fort.

Überhaupt ist es ein alter Zopf, dass viele von uns sich Teilchen immer noch als »Gegenstände« vorstellen. Das sind selbst Materieteilchen nicht. In diese Richtung deutet schon das Gibbs-Paradoxon, das nur den Schluss zulässt, dass gleichartige Quantenteilchen auch »selb« sind, d.h. prinzipiell ununterscheidbar:

Hätten zwei Münzen diese Eigenschaft, müssten die Wahrscheinlichkeiten für »Kopf - Kopf«, »Zahl - Zahl« und »Kopf - Zahl« identisch gleich ⅓ sein, real ist die Letztere ½ und die anderen beiden sind je ¼.

Gleichartige Teilchen sind also »selb«, was nahelegt, sie eben nicht als »Gegenstände«, sondern als elementare Anregungen eines Feldes (vergleichbar der Schwingung einer Gitarrensaite) zu verstehen.

Allerdings sind solche Felder unterschiedlich: Manche Felder lassen sich durch eine einfache Wellengleichung beschreiben und sind z.B. einfach sinus- oder cosinusförmig, es können aber auch für eine vollständige Beschreibung, auch wesentlich komplexere Gleichungen und auch Lösungen dieser Gleichungen erforderlich sein, um sie vollständig zu beschreiben (komplexwertige Funktionen oder gar geordnete Paare oder Quadrupel komplexwertiger Funktionen).

Dementsprechend lassen sich auch verschiedene Formen von Kontinuitätsgleichungen (KG) herleiten.

Materiequanten zeichnen sich dadurch aus, dass es eine Teilchenzahl-KG gibt, die von der Energie weitgehend unabhängig ist, und sich eine positiv definierte, als Wahrscheinlichkeitsdichte interpretierbare Größe herleiten lässt.
Die Unabhängigkeit der »Teilchen«zahl von der Energie ist deshalb wichtig, weil eine scharf bestimmte Energie und vor allem ein scharf bestimmter Impuls mit einem ausgedehnten Wellenzug verbunden ist; ein räumlich konzentriertes Wellenpaket ist eine Überlagerung von Wellenzügen unterschiedlicher Frequenzen, d.h. damit ein Quant lokalisierbar ist, muss es eine unscharf bestimmte kinetische Energie haben können.

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Genau das können Photonen nicht, sie sind ja Energieportionen, und das bedeutet, dass man das Photon gerade nicht als »Teilchen« betrachten und auch nicht - nicht einmal unscharf - lokalisieren kann. Wie die Schwingung einer Gitarrensaite die gesamte Saite erfasst, nimmt ein in einem Kasten befindliches Photon immer den gesamten Kasten in Anspruch, egal wie groß der ist. Es gibt zwar auch Lichtwellenpakete, aber ein solches ist niemals ein Photon und hat nicht einmal eine scharf definierte Photonenzahl.

Kommentar von Iamiam ,

eine schöne und sicher richtige Abhandlung, aber ob der Frager das verstehen kann? Ich hab - wenn auch vor langer Zeit- mal das Vordiplom im Nebenfach Physik mit einer 1 abgelegt, aber ich hatte Mühe zu folgen!

Man muss allerdings sagen, verstehen tut das sowieso niemand. Man kann das nur mehr oder weniger im Verständnis annähern...

Kommentar von SlowPhil ,

Ich denke, es kommt nicht darauf an, wie alt oder weit man ist, sondern darauf, ob man irgendwo Literatur findet, die einem die Sache so erklärt, dass man sie auch versteht.

Mit haben hinsichtlich des Photons Kuhn und Strnad die Augen geöffnet. Ich war an einem Projekt beteiligt, das sich als solches mindestens am Rand der Wissenschaft bewegte - wobei ich definitiv diesseits der Grenze aufhielt. Unser Teamleiter wollte alles über Quantenmechanik wissen.

Unter anderem wollte er von mir eine Art Schrödinger-Gleichung von Photonen wissen, also habe ich mich erst einmal mit der Klein-Gordon-Gleichung befasst, wofür Walter Greiner: Relativistische Quantentheorie recht gut ist. Dann fiel mir noch Kuhn, Strnad: Quantenfeldtheorie. Photonen und ihre Deutung in die Hände, und da habe ich angefangen, zu verstehen, was genau ein Photon mit einem quantenmechanischen Harmonischen Oszillator zu tun hat und was es damit wirklich so auf sich hat - mit über 40.

Aber das, so denke ich, muss nicht sein. Man muss nicht so alt werden, man muss auch nicht diesen oder jenen Abschluss haben, man braucht jemanden, der bestimmte Sachverhalte so darzulegen versteht, dass man sie kapiert, und so jemand hoffe auch ich zu sein.

Antwort
von Rynak, 20

Was genau meinst du mit "in einer Wellenart bewegen"? Einfach geradeaus fliegen (keine Welleneigenschaften), Beim Fliegen nach links und rechts pendeln (geht schon mal für geladene Teilchen nicht) oder was?

Kommentar von ScoreMagnet ,

hat sich bereits erledigt, trotzdem danke.

Antwort
von DerKorus, 33

Das geht nicht, diese einzelnen Teilchen haben ja laut der Quantenmechanik auch Welleneigenschaften.

Kommentar von ScoreMagnet ,

Alles klar, das wusste ich noch nicht, aber ich hab gehört, dass jeder körper wellencharakter besitzt (also auch Atome und sowas)

Kommentar von DerKorus ,

Genau das ist ja die grosse Aussage und auch Frage der Quantenmechanik, innerhalb eines Atoms besitzen auch die Elektronen zu ihrem Atomkern Welleneigenschaften, nur wieso ist noch nicht ganz klar. Und das Problem ist ja das wenn man das Beobachten will Messgeräte braucht welche das dann auch schon wieder abändern, also das Ergebnis verfälschen

Antwort
von henzy71, 24

Wenn du Licht als Teilchen betrachtest, dann kannst du den Doppelspaltversuch nicht erklären, weil es da im Interferenzen geht und dazu braucht es nun mal Wellen. Den Photoelektrischen Effekt jedoch (für den Einstein den Nobelpreis bekommen hat) lässt sich nicht mit einer Welle erklären - dazu braucht es Teilchen - die Photonen.

Gruß

Henzy

Kommentar von ScoreMagnet ,

ja, das hatten wir dieses jahr durchgenommen, ein sehr interessantes thema finde ich.

Kommentar von henzy71 ,

Da stimme ich dir zu.

Antwort
von gilgamesch4711, 20

  Die Bohmsche Teorie der Pilotwellen versucht genau das. Bei uns in Frankfurt bordete ein Regal mit vier Etagen über, welches sich ausschließlich Teorieansätzen mit ===> verborgenen Parametern ( VP ) widmete. Beachte jedoch die ===> Bellsche Ungleichung; eine schlagende Widerlegung aller VP.

   Für ===> kanonisch konjugierte Wertepaare wie Ort und Impuls gilt die Heisenberg-Unschärfe. Die Intensität einer Welle geht mit ihrem AmplitudenQUADRAT; das weißt du ( z.B. Schall; Licht ) Genau dieses Amplitudenquadrat erweist sich als quantisiert; es gibt 1 , 2 , 3 Photonen; aber nicht 47 Komma 11.

   Und die Phase einer Welle ist eben die zur Photonenzahl konjugierte Größe. Angenommen du hast tausend Photonen und machst ein Experiment; wie viel gehen durch den linken und wie viel durch den rechten Arm des Michelson-Interferometers? Du das gibt nie Interferenz. Wenn du jedoch den Versuchsaufbau so wählst, dass du den Gangunterschied zwischen den beiden Wellen möglichst genau kennst, verlierst du jeden Überblick, wie viel Photonen links und wie viel rechts gelaufen sind.

    Schau dir mal die ganzen Versionen des ===> Doppelspaltversuchs an.

Kommentar von ScoreMagnet ,

Danke für die ausführliche Erklärung .

Antwort
von NeoExacun, 24

Das wäre keine Erklärung, da auch einzelne Teilchen Wellencharakter zeigen.

Kommentar von ScoreMagnet ,

genau genommen hat alles wellencharakter

Kommentar von pythonpups ,

Ich auch! ;)

Kommentar von NeoExacun ,

Korrekt, wenn du weißt, hätte dir auch klar sein müssen, dass dein Ansatz nicht funktioniert.

Kommentar von ScoreMagnet ,

auch ich

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