Sind Photonen immer an vorderster Stelle?

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3 Antworten

Befindet sich das Photon selbst während der Reise in entfernte Galaxien immer ganz vorne bei der jeweiligen Welle?

Das Bild von einem an sich kompakten Teilchen, das eine Welle »hat« und sich in dessen »Kopf« befindet, ist falsch.

Wenn ein Detektor mit einer bestimmten Position |x>₁ (innerhalb eines Maximums) das Photon registriert, während ein anderer Detektor bei |x>₂ (ebenfalls innerhalb eines Maximums) dies nicht tut (etwa bei Spaltexperimenten mit einem Detektorschirm an Stelle einer simplen Mattscheibe), verleitet das zu der Annahme, das Photon sei zu diesem Zeitpunkt genau dort gewesen.

Es war aber auch bei |x>₂ und hätte auch vom dortigen Detektor registriert werden können, wurde es aber nicht. Der registriert stattdessen »ein anderes« Photon.

Das Photon ist die Welle, und genau genommen ist nicht einmal das wirklich korrekt. 

Am besten stellst Du Dir eine Gitarrensaite vor und stellst Dir vor, dass diese auch dann schon ohne Anregung leicht vibriert (mit der Nullpunktsenergie

(1) E₀= ½h·f,

f Frequenz), wenn sie gar nicht gezupft ist. Stelle Dir weiter vor, man kann sie so leicht zupfen, dass einzelne Stufen mit scharf bestimmter Energie 

(2) E = (½ + n)·h·f

erkennbar werden. In jedem Fall nimmt die Schwingung die gesamte Saite in Anspruch und lässt sich nicht lokalisieren, und für n=1 hast Du genau 1 Phonon (Schallquant), was eben auch einem Photon entspricht, nur dass es da eben keine Gitarrensaite gibt, sondern ein elektromagnetisches Feld, und seine Auslenkung ist die Feldstärke.

Eine klassische Schwingung der Saite mit klar erkennbarer Auslenkung als Funktion der Stelle auf der Saite entspräche einem so genannten kohärenten Zustand, der sich aus Zuständen wie in (2) entwickeln lässt, bei dem also n nur mehr unscharf bestimmt ist.

Bei Licht ist ein Lasersignal so etwas. Selbst in einem Laserstrahl ist also die Anzahl der Photonen nicht beliebig scharf bestimmt.

Natürlich gibt es bei Licht Wellenpakete, aber das hat dann erst recht nichts mit »einem Photon« zu tun. Das ist mir selbst erst klar geworden, als ich mich im Rahmen einer Vortragsreihe, in der ich gebeten worden war, eine »Schrödinger-Gleichung für ein Photon« aufzustellen und ein Photon als Wellenpaket zu interpretieren, genauer damit befasst habe (übrigens vor gar noch so langer Zeit und mit über 40 Jahren). So stieß ich auf ein interessantes Buch:

Kuhn/Strnad: Quantenfeldtheorie. Photonen und ihre Deutung

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Kommentar von Usedefault
24.08.2016, 21:03

Was ist die Nullpunktsenergie bei einer Gitarrensaite? Erst wenn ich die Saite anzupfe, ihr sozusagen Kraft zuführe, beginnt sie zu vibrieren.

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Kommentar von SlowPhil
24.08.2016, 21:12

Dass man bei einer Gitarrensaite nichts von der Nullpunktsenergie merkt, ist völlig klar.

die Nullpunktenergie ist im Grunde die Energie, die ein harmonischer Oszillator selbst dann noch hat, wenn er überhaupt nicht mehr vibriert und seinen Schwerpunkt nur aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation nicht exakt in der Ruhelage liegt.

bei einer makroskopischen Gitarrensaite ist diese Energie natürlich nicht zu messen.

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Kommentar von SlowPhil
25.08.2016, 11:01

Das Photon als »Klümpchen« von etwas im Raum gibt es in der Tat nicht. Die einzige Teilcheneigenschaft des Photons ist, dass es nur als Ganzes und einzeln irgendwo emittiert und wieder absorbiert wird. Deshalb kann Licht unter einer bestimmten Frequenz (die vom Metall abhängig ist) nicht den Photoelektrischen Effekt auslösen, auch wenn seine Gesamtenergie ausreichen würde, um Elektronen aus dem Metallverband herauszukicken. Das ist übrigens ein gutes Bild, die Vorstellung von einem Fußball in einer, Kuhle der aus dieser heraus befördert werden soll. ein Profi schafft das mit einem einzigen Tritt., und genau so muss man das auch schaffen. Ein kleiner und viel weniger kräftiger Nachwuchsfußballer wird es nicht schaffen, und wenn er hundertmal dagegen tritt und die Gesamtenergie seiner Tritte viel größer ist als die des Profitritts Den Photonen entsprechen in diesem Bild die Tritte.

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Photonen sind im klassischen Sinn Lichtquanten.
Lichtquanten bewegen sich immer mit Maximalgeschwindigkeit (in Abhängigkeit vom umgebenden Medium).
Im Vakuum ist es Lichtgeschwindigkeit.
Ergo folgt daraus, wenn andere Elementarteilchen und ähnliches diese Geschwindigkeit nicht erreich können, dass Photonen auf einer Welle, immer als erstes am Zielort ankommen.

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Kommentar von SlowPhil
24.08.2016, 11:56

Photonen sind im klassischen Sinn Lichtquanten.

Das klingt nach einem Physikerwitz. Das Wort »klassisch« wird in der Physik geradezu als Gegensatz zum Wort »quantenmechanisch« verwendet. Klassisch in diesem Sinne gibt es das These - Antithese - Paar »Licht besteht aus Korpuskeln« vs. »Licht besteht aus Wellen«.

Interessanterweise hat ausgerechnet Siméon Denis Poisson (der mit der Poisson-Verteilung und den Poisson-Klammern), der eigentlich Anhänger der Korpuskeltheorie war, einen Effekt vorhergesagt, der die Wellentheorie des Lichts bestätigte, nach dem Motto »wenn Licht aus Wellen bestünde, müsste durch Beugung um einen Körper ein heller Fleck im Kern seines Schattens entstehen«. Den Fleck gibt es wirklich und er heißt Poisson-Fleck.

Die Lichtquantenhypothese wurde 1900 von Max Planck aufgestellt, um das Strahlungsgesetz erklären zu können, und von Albert Einstein zur Erklärung des Photoelektrischen Effekts herangezogen.

Lichtquanten bewegen sich immer mit Maximalgeschwindigkeit (in Abhängigkeit vom umgebenden Medium).

Dachte ich früher auch. Allerdings ist das nicht ganz korrekt, denn um zu sagen, dass sich etwas in diesem Sinne bewegt, sollte man es - wenigstens unscharf - lokalisieren können, es sollte dies also nicht ein im Prinzip unendlich ausgedehnter Wellenzug mit einer einzigen Frequenz und Wellenlänge sein, sondern ein Wellenpaket, und dies enthält notwendig ein ganzes Spektrum von Frequenzen und damit verschiedene Energien. Damit kann es aber kein Photon sein. Ein Photon ist eine elementare Anregung einer Schwingungsmode (die eine bestimmte Frequenz hat), ähnlich wie bei einer Gitarrensaite, welche die gesamte Saite in Anspruch nimmt.

Von einer »Bewegung des Photons« zu sprechen ist daher etwas unpräzise.

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Elektronentreibriemen?! Was ist das denn?

Ein Photon befindet sich nicht irgendwo in der Welle, sondern es ist die elektromagnische Welle (oder zumindest die kleinste Energieeinheit einer Welle). Lies noch mal nach was es mit dem Welle-Teilchen-Dualismus auf sich hat und wie die Begriffe Quanten, Photonen und elektromagnetische Strahlung zusammenhängen.

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Kommentar von Usedefault
23.08.2016, 10:08

Mit Elektronentreibriemen meine ich, dass an der Stelle des Glühdrahtes die Elektronen gebremst werden und demnach dort Kraft einwirkt.

Ja ich kenne den Welle-Teilchen-Dualismus, aber wenn das Photon irgendwo auftrifft, dann ist es dort und ansonst ist es überall.

Warum können wir einen Lichtstrahl überhaupt sehen, wenn er von uns mit v = c wegflitzt?

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