Kann man die Richtung eines einzelnen(!) Photons feststellen?

5 Antworten

Jedes einzelne Photon ist harmonische Kugelwelle, die sich um die Stelle ihres Entstehens herum im Raum — um Hindernisse herum gebeugt — ausbreitet.

Der Radius dieser (der Beugung wegen nicht selten extrem stark deformierten) Kugel wächst mit Lichtgeschwindigkeit, und die Oberfläche der Kugel ist der geometrische Ort für alle Stellen, an denen das Photon seine Energie (an z.B. ein Elektron eines Atoms) abgeben kann — und damit aufhört zu existieren.

Konsequenz daraus: Es gibt nicht nur eine Richtung, in die sich das Photon ausbreitet.

Was Du beschreibst, ist - wenn ich mich nicht irre - die Wahrscheinlichkeit der Ausbreitungen vieler Photonen. Doch mit oder ohne Beugung, ein einzelnes Photon (!) kann dennoch nur aus einer Richtung stammen.

Auch beim Doppelspalt-Experiment wird ein (absolut!) einzelnes(!) Photon nicht das bekannte Muster erzeugen.

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@CatsEyes

Eben doch, denn: Auch ein einzelnes Photon breitet sich durch beide Spalten aus und interferiert dahinter mit sich selbst (solange man seine durch die Spalten kommenden Teile nicht senkrecht zu einander polarisiert).

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@Blume8576

Das findet so erklärt und auch gut begründet in wirklich jedem guten Buch über Quantenphysik.

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@grtgrt

Dann erkläre doch mal wie Licht durch ein 1 Meter langes Rohr kommt.

Nimm eine undurchsichtige Hohlkugel , in der ein Loch ist ( sagen wir 1 mm) an dem ein 1 Meter langes rohr befestigt ist.

In der Mitte der Hohlkugel ist die Lichtquelle.

JEDES Photon , das dort startet trifft immer auf die innen Seite der Hohlkugel, bevor es durch das loch nach ausen könnte.

Somit ist JEDES Photon, das sich so verhält, wie du behauptest, weg , bevor es das Rohr verlassen kann.

Wiso kann ich dann Licht sehen, das raus kommt?

Mach bitte mal eine Zeichnung dazu , und überprüfe deine Behauptung.

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@grtgrt

<<< Eben doch, denn: Auch ein einzelnes Photon breitet sich durch beide Spalten aus und interferiert dahinter mit sich selbst (solange man seine durch die Spalten kommenden Teile nicht senkrecht zu einander polarisiert). >>>

Dieses einzelne Photon wird hinter den Spalten keine zwei "Einschlagpunkte" erzeugen.

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@CatsEyes

Natürlich nicht: Das "einzelne" (= unteilbare) Photon besteht hinter den Spalten ja nach wie vor aus nur einer atomaren Portion von Energie (gegeben durch zwei Lappen einer dort schon extrem "verbeulten" Kugelwelle, die sich hinterm Doppelspalt darstellen wie zwei Wellen, deren Ursprung der eine bzw. andere Spalt ist).

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@grtgrt

Da ist dann interessant, warum die beiden Kugelwellen auch dann eindeutig zusammenfinden, wenn man den Abstand des Aufprallschirmes verändert.

Wenn ich Dich richtig interpretiere kann man also die Herkunftsrichtung eines einzelnen Photons nicht bestimmen. Je mehr Photonen, desto genauer aber doch?

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@CatsEyes

Richtig: Je verbeulter eine Kugelwelle ist, desto weniger kann man feststellen, wo genau ihre Quelle liegt (d.h. die elektrische oder magnetische Ladung, durch deren beschleunigte Bewegung sie entstand).

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@grtgrt

Verbeult oder nicht - ich ging eigentlich von einer "ungestörten" Strecke zw. Photonen-Entstehung und -Empfang aus. Ursprünglich war von keinerlei Spalten und sonstigen "Verbeulern" die Rede.

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@CatsEyes

Nun: Genau genommen ist die Situation ja so:

Die Lichtkanone im Labor, welche das Photon erzeugt, erzeugt eine zusätzliche Anregung des elektromagnetischen Feldes. Gemeinsam mit den unmittelbar zuvor schon gegebenen Anregungen summiert sie sich auf zum gesamten von nun an gegebenen Schwingungszustand des Feldes. Der aber ist das durch den Doppelspalt fließende Wellenpaket (die neue Feldanregung ist nur ein zu diesem Zeitpunkt dominanter Teil davon).

Fourierentwicklung dieses Wellenpakets zeigt es uns als Summe abzählbar vieler harmonischer Wellen (= einzelner, unteilbarer Photonen, die natürlich alle auch einzeln "sterben" können).

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@grtgrt

Nicht unnötig verkomplizieren bitte... mal zwischengefragt: Was ist ein absolut einzelnes Photon wellenmechanisch erklärt? Doch genau eine Schwingung, eine Periode - oder?

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@CatsEyes

Man versteht darunter eine harmonische (= unteilbare) Anregung des elektromagnetischen Feldes.

Selbst Fourier-Entwicklung kann sie nicht weiter zerlegen.

Wo im Labor einzelne Photonen erzeugt werden, sind das nur effektiv unzerlegbare. Sie werden durch Fourier-Transformation weiter zerlegt (sind also genau genommen Wellenpakete bestehend aus i.A. sehr vielen unteilbaren Feldanregungen).

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@grtgrt

Ok, aus wie vielen Schwingungen, Wellenlängen, Perioden besteht ein einzelnes Photon?

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@CatsEyes

Die Zahl seiner Perioden ergibt sich seiner Lebensdauer und Wellenlänge, kann also beliebig groß sein.

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@grtgrt

So eine Welle besteht aus zueinander senkrecht stehenden elektischen, magnetischen Wechselfeldern und der Bewegungsrichtung - richtig formuliert?

Doch eine solche Welle hat an sich keinen Eigenimpuls - auch richtig?

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@CatsEyes
So eine Welle besteht aus zueinander senkrecht stehenden elektischen, magnetischen Wechselfeldern und der Bewegungsrichtung - richtig formuliert?

Richtiger zu sagen wäre:

So eine Welle besteht aus auf einander senkrecht stehenden elektrischen und magnetischen Wechselfeldern in lokaler Ausbreitungsrichtung (es ist das Ganze ja eine Kugelwelle, verbeult durch Beugung an Hindernissen, so dass die Ausbreitungsrichtung nicht an allen Punkten im Raum dieselbe sein kann).

Nicht der Welle, aber sehr wohl der durch sie gegebenen Portion von Energie ordnet sich sehr wohl Impuls zu.

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@grtgrt

Ein einzelnes Photon lässt sich als Kugelwelle darstellen? Wo doch Kugeln keine Richtung haben?

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@CatsEyes

Stelle dir auf der Oberfläche einer Kugel einen bestimmten Punkt vor. Wenn der Radius der Kugel sich vergrößert (beim Photon sogar mit Lichtgeschwindigkeit), wird jener Punkt einen bestimmten Weg durch den Raum nehmen — und jeder andere Punkt der Kugeloberfläche einen anderen Weg.

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@grtgrt

Eben deswegen ist es ja möglich, dass das Photon durch beide Spalten (des Spaltenpaars im Doppelspaltexperiment) geht: Es nimmt jeden Weg, der ihm nicht durch Hindernisse verstellt wurde.

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@grtgrt

Das ist mir klar, aber warum sollte das Photon dann ausgerechnet an einem Punkt auftreffen, wo es unzählige andere Punkte gibt? Und woher weiß die Kugelwelle, dass sie schon am Punkt A "materialisiert" ist wenn Punkt B gleichweit weg ist?

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@CatsEyes

Was wir als "Auftreffpunkt" wahrnehmen, ist die Stelle, an der das Photon seine Energie abgab. Die Wahrscheinlichkeit, an bestimmter Stelle seine Energie abzugeben, kann für jeden Punkt im Raum unterschiedlich groß sein.

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@grtgrt

Nach dieser These kann man Photonen gar nicht in eine Richtung schicken...

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@CatsEyes

Vor dem Doppelspalt breitet es sich in sehr viel mehr Richtungen aus als hinter dem Doppelspalt. Die Wand, in der sich die Spalten finden, ist ja schließlich ein gewaltiges Hindernis, das zu überwinden nur auf den Wegen durch die Spalten möglich ist.

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@grtgrt

Irgendwie scheint mir, Du wendest die QED irgendwie falsch an...

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Es gibt nicht nur eine Richtung, in die sich das Photon ausbreitet.

Neue Physik - hervorragend. Oder hast du die Frage nicht geschnallt ?

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@Viktor1

Du kannst von mir aus glauben und missverstehen, was immer Du willst: Es kratzt mich nicht.

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ein photon ist nicht immer eine kugelwelle. natürlich kann es auch einen impuls in eine bestimmte richtung haben (im rahmen einer gewissen unschärfe)

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Es gibt nicht nur eine Richtung, in die sich das Photon ausbreitet.

Aber es gibt eine Richtung, wo es herkommt.

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@PMeindl

Es kommt von der Stelle, an der es seine Quelle hat (einen beschleunigt bewegten Träger elektrischer oder magnetischer Ladung).

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@grtgrt

Genauer: Es breitet sich um diese Stelle herum aus in wirklich jede Richtung, die ihm nicht durch ein Hindernis verwehrt ist.

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Wenn das Photon den Detektor trifft, ist doch klar, dass es nicht aus einer Richtung gekommen sein kann, aus der es den Detektor nicht hätte treffen können.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – Abschluss als Diplom-Physiker

Das ist klar, ja. Doch dann hat man "Hilfsmittel" verwendet, etwa ein Rohr. Und wenn das Photon die Rohrwände trifft, ist es "weg", höchstens reflektiert, wonach es nicht mehr das ursprüngliche Photon ist. Denke ich mir mal so, in der Hoffnung, da nicht schief zu liegen.

Mir ging es bei der Frage um echt ein absolut einzelnes Photon, soll es ja geben.

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@CatsEyes

Verstehe nicht, was Du meinst: Ein Photon fällt nicht vom Himmel, sondern kommt immer irgendwo her. Es hat Energie, es hat Impuls - das lässt sich detektieren.

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@zalto

Ein Photon ist kein Körper, kein Meteorit oder sowas. Es interagiert mit einem Sensor dadurch, dass es in einem Atom, Molekül etwas bewirkt. Daraus lässt sich doch aber keine Richtung berechnen. Wohlgemerkt ist immer nur EIN Photon gemeint.

Dass Photonen einen Strahlungsdruck erzeugen können, ist mir bewusst, doch gilt das auch für ein einzelnes Photon?

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@CatsEyes

Ja, jedes einzelne Photon hat Impuls und Energie. Wenn es absorbiert wird und damit diesen Impuls deponiert, dann ist das messbar.
Als ich Physik studiert habe gab es 1997 den Nobelpreis für die "Laserkühlung". Da benutzt man diese Impulsübertragung um Atome in einer Falle zu kühlen.
https://de.wikipedia.org/wiki/Laserk%C3%BChlung

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@zalto

Ein Kernsatz aus Deinem interessanten Link: <<< Trifft ein Photon auf ein Atom, so kann das Photon absorbiert werden, dabei geht ein Hüllenelektron in einen angeregten Zustand über. Dieser kann nach einer Zeit „zerfallen“ (spontane Emission), dabei wird ein Photon in eine zufällige Richtung abgegeben >>>

Das würde bedeuten, bei "echt" nur einem einzelnen Photon wäre eben doch keine exakte herkunftsrichtung des Photons messbar - wenn ich da richtig denke - oder?

Ein Grund für meine Frage ist, ich finde immer eine "Vermengung", nie Aussagen über nur ein Photon, sondern immer bezogen auf viele Photonen samt Wahrscheinlichkeiten usw.

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@CatsEyes

Ein geeignetes Photon kann das Atom aus der Falle kicken. Wohin es rausfliegt, ergibt sich aus dem Impuls, den das Photon übertragen hat.

Wie denkst Du denn, dass der Impuls mehrerer Photonen zustande kommt, wenn nicht über die Summe der Impulse einzelner Photonen?

Ich verstehe Deine Zweifel nicht. Das wäre wie wenn Du einem Wasserstrahl eine Richtung zugestehen würdest, aber einem einzelnen Wassermolekül sprichst Du die Eigenschaft ab, sich eindeutig in eine Richtung bewegen zu können. Warum?

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@zalto

Warum kommt immer "mehrere Photonen..." Ganz bewusst bezieht sich meine Frage auf ein einzelnes Photon, nicht auf mehrere. Wird ein einzelnes Atom durch ein einzelnes Photon angeregt, es wieder abzugeben, kann dies in beliebiger, nicht im Zusammenhang zur Photonenrichtung stehender Richtung erfolgen, das Atom bewegt sich eben in eine andere, zufällige Richtung.

Somit spreche ich dem Wassermolekül doch nichts ab, zumal es ja eine andere Situation ist.

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@CatsEyes

"wenn das Photon die Rohrwände trifft," dann kam es nicht genau aus der Richtung der Rohrachse.

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@PMeindl

Das ist unbestritten. Aber meine Frage war viel einfacher, ohne jegliche "Hilfsmittel" wie Rohre usw.

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@CatsEyes

Ohne Hilfsmittel wirds nicht gehen. Ich habe dir eine Möglichkeit in meiner Antwort geschildert.

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@PMeindl

Habe ich gelesen - und kommentiert. Danke.

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@CatsEyes

Das Abstrahlen ist ein anderer Vorgang. Das Atom absorbiert, bekommt den Impuls des Photons mit (aus einer definierten Richtung) und bewegt sich.
Irgendwann später strahlt es dann wieder ein Photon ab und erfährt dabei einen Rückstoß (in eine andere zufällige Richtung).

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@zalto

Genau, dann könnte man aus der ersten Bewegung auf die Einfallsrichtung des Photons schließen?

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wenn man ein einzelnes Photon ortsfest bestimmt, ist sein Impuls und damit seine Richtung unbestimmt.

Du kannst ein Photon nur dann sehen, oder detektieren, wenn es auftrifft, also an einem festen Ort.

Somit kannst du ja niemals die Richtung von Photonen herausfinden.

Sobald du es gesehen (gemessen ) hast ist es weg.

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@Blume8576

Genau... erst bei vielen Photonen sieht die Lage anders aus, wenn ich das richtig sehe?

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Man könnte einen Schirm mit einem (sehr) kleinen Loch aufbauen und in gewissem Abstand dahinter einen zweiten Schirm ähnlich jenem beim Doppelspaltexperiment, der anzeigt, wo das Photon gelandet ist. Mit diesen beiden Punkten hast du dann die räumliche Richtung der Photonbewegung.

;--)) Klar, aber da muss ich entweder auch viele Photonen haben oder von vornherein die Richtung kennen. Ich meinte eigentlich exakt ein einzelnes Photon.

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@CatsEyes

Ja, richtig...was ist, wenn das Photon nicht durch das Loch geht...? Hmmm...

Aber wie stellst du denn fest, ob das Photon überhaupt "da" ist?

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du brauchst nur den impuls messen.

Wie?

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@CatsEyes

durch teilchenstöße.

compton-streuung z.B.

oder in einem kalorimeter wie in großen teilchen detektoren erzeugen hochenergetische photonen einen schauer aus sekundär teilchen (elektronen und positronen). die kannst du messen.

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@Reggid

Auch bei einem "echt" einzelnen Photon? Meine Frage basiert u. A. auf die mir oft unklare Trennung zw. Strahlung und sonstige Photonen"verbände" und einem einzelnen Photon. Überall, wo ich nachlese, habe ich dieses Problem.

Auch beim klassischen Doppelspalt-Experiment ist das so. Das Ergebnis basiert immer auf - wie auch immer - mehreren Photonen. Hätte man nur eines überhaupt zur Verfügung, käme man nie auf das Muster.

Mag spitzfindig klingen, aber ich habe schon so weitere Gedankengänge dazu - ohne irgendwas in Frage zu stellen selbstverständlich.

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@CatsEyes
Auch bei einem "echt" einzelnen Photon?

ja.

bei teilchenkollisionen wie man sie an detektoren untersucht wo man derartige kalorimeter einsetzt, werden einzelne hochenergetische photonen erzeugt.

Auch beim klassischen Doppelspalt-Experiment ist das so. Das Ergebnis basiert immer auf - wie auch immer - mehreren Photonen. Hätte man nur eines überhaupt zur Verfügung, käme man nie auf das Muster.

ja natürlich benötigst du für ein sichtbares interferenzmuster viele photonen, weil du viele viele punkte brauchst um die wahrscheinlichkeitsverteilung (die für jedes einzelne photon gilt) sichtbar zu machen.

aber das ist eine völlig andere fragestellung als die ursprüngliche.

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@Reggid

<<< aber das ist eine völlig andere fragestellung als die ursprüngliche. >>> Stimmt.

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