Welches Experiment bewies aus heutiger Sicht erstmals die Quantisierung des Strahlungsfeldes?
Einstein hatte 1905 mit dem Photoeffekt kein gutes Beispiel gewählt (erstmals mit Beck/Wentzel 1926 widerlegt). Aber er wählte ja noch weitere. Wurden diese auch widerlegt? War das Photon Bunching das erste Experiment was aus heutiger Sicht noch stand hält?
3 Antworten
Vorweg: Es gibt in den Naturwissenschaften grundsätzlich keine Beweise für die Richtigkeit eines Modells. Es gibt nur Falsifizierungen.
Ausgegangen ist Einstein übrigens von der Entropie der Strahlung die in einem Behälter in gleicher Weise wie die Entropie von Atomen mit dem Logarithmus des Volumens zunimmt. Nach Einsteins Ansicht konnte das kein Zufall sein. Und er wandte diesen Gedanken sofort auf die Strahlung an. Da wir die Entropie von Gasen verstehen können weil sie aus Atomen oder Molekülen bestehen, können wir auch die Entropie der Strahlung verstehen wenn sie ebenfalls aus "Teilchen" besteht, die wir heute Photonen nennen.
Der Photoeffekt ist natürlich auch Teil seiner Veröffentlichung aus dem Jahr 1905. Er steht dort aber ziemlich am Ende der Betrachtungen.
Die ursprüngliche Idee von Albert Einstein bezüglich der Teilchennatur des Lichts wurde durch die Überlegungen von Beck/Wentzel 1926 nicht widerlegt sondern sie haben nur gezeigt, dass auch eine andere Erklärung möglich wäre. Die Spektren der Gase und der Lichtdruck der Sonne auf die Kometenschweife waren dann weitere Bestätigungen dieser Vorstellung. Der Doppelspaltversuch gilt für das Prinzip der Dualität als der kritischste Punkt.
Nach moderner Auffassung besteht die Eigenschaft einer Gesamtheit von einzeln nicht beobachteten Mikroobjekten aus einer Menge von Möglichkeiten. Durch die Beobachtung eines einzelnen dieser Mikroobjekte wird aus der Möglichkeit eine Realität und damit ist das Mikroobjekt nicht mehr Teil der Gesamtheit.
Bezüglich der Interpretation des Doppelspaltversuchs hat sich Einstein übrigens geirrt.
Inwiefern hat sich Einstein geirrt? Und Beck / Wentzel konnten doch mit der semiklassischen Erklärung den Photoeffekt noch besser beschreiben, oder? Würde man heutzutage sagen, dass der Photoeffekt auf der Quantelung der Detektoren oder der Quantelung des Lichts oder der Quantelung beider zurückzuführen ist? Sicher, dass das mit dem Doppelspaltversuch stimmt, also dass das das erste Experiment war? Immerhin muss man dafür doch einzelne Photonen verschießen und das geht doch erst seit den 70er Jahren meine ich? Das HBT Experiment dagegen war doch schon in den 50ern , meine ich
Für die Quantenmechanik (bzw. die Quantentheorie) gibt es momentan keine Falsifizierung. Einen Beweis dafür kann es aber auch nicht geben (s.o.). Welches Experiment man als erstes Experiment zählen will, ist reine Standpunktsache. Die Problematik des Photoeffekts war schon vor Einstein bekannt. Einstein hat dafür eine weitreichende Erklärung geliefert, die seither nicht prinzipiell falsifiziert wurde.
Beim Doppelspaltversuch meinte Einstein, dass Interferenz nur auftreten würde, wenn mehrere Photonen gleichzeitig auf den Doppelspalt auftreffen würden, weil diese nur dann interferieren könnten. Dies wurde dann später widerlegt.
Du scheinst immer noch nach einem Versuch zu suchen, der einen Beweis für die Quantelung des Lichts darstellen würde. So funktioniert Physik nicht. Hypothesen werden zu einer Theorie, wenn sie Widerlegungsversuche überstanden haben, oder wenn aus der Hypothese neue Erkenntnisse gewonnen werden können. Beweise für das Zutreffen eines Modells gibt es in der Physik nicht.
Dann halt nicht beweisen, aber irgendwas muss ja dafür sprechen :D
Das was dafür spricht ist die Menge der Erscheinungsformen, die mit dem Modell beschrieben werden können und die mißlungenen Falsifikationen.
Die Sichtweise von Einstein wurde nicht widerlegt. Es wurde nur gezeigt, dass man den Photoeffekt auch ohne Quantelung des Lichts erklären kann --> semi-klassiche Näherung. Aber andere Effekte konnten Beck/Wentzel damit nicht erklären, die Teilchennatur aber schon.
Als eventuell ersten Beweis könnte man die Compton-Streuung sehen. Hier wird gezeigt, dass Licht Impuls hat.
Compton Streuung ließ sich auch semiklassisch erklären
Ein solcher Beweis ist einfach nicht notwendig, da es in der experimentellen Praxis grundsätzlich bekannte Effekte gibt, die eine Quantelung bereits zwangsweise belegen. Es ist nämlich unermesslich eitel und teuer, einen speziellen experimentellen Nachweis für die Quantelung zu erbringen, denn sie offenbart sich in vielen Experimenten als Differenz zu mathematisch erwarteten Ergebnissen. Es ist genauso unnütz, wie sie hier auf GF mathematisch zu beschreiben, denn dazu ist die Wikipedia besser geeignet.
Hier kann ich also nur für den Laien erklären, wie man den Unterschied zwischen einer Quantelung und einer unendlich kontinuierlichen Größe feststellen könnte. Am besten lässt sich das mit unserem Zahlensystem erklären:
Drei Fließkomma-Variablen mit einem Einzelwert von 1,35 müssten eine Summe bilden, die dann 4,05 ergibt. Doch in der Realität lässt sich aber immer nur die Summe 3 bilden, da nur ganze Quanten zählen. So z.B. ist die Addition nicht in der Lage, die Fließkommazahl wiederzugeben, denn die möglichen Größen können nur ein Vielfaches eines ganzen Quants betragen.
Also, jede Summe kann nur ein Vielfaches der kleinstmöglichen Planckschen Einheit sein. Denn ein Radius von null kann kein Kugelvolumen bilden und ein Radius von einer Planckschen Einheit hat ein Volumen. Doch jene Zahl ist eine Fließkommazahl, während der Radius nur positive ganze Zahlen besitzt.
Es ist also gar nicht nötig, den Aufwand eines Nachweises zu erbringen.
Verstehe ich nicht - was spricht denn experimentell für die Quantelung des Lichts, wenn schon der Photoeffekt hierfür nicht taugt?
Der Quantelung des Lichts widerspricht die kontinuierliche Schwingung des Lichts, denn ein einzelnes Photon schwingt nicht kontinuierlich. Auch dürfte die Frequenz nicht kontinuierlich steigen, wenn es ein homogenes, schwingendes Medium wäre. Dieses ist aber recht komplex und würde den Rahmen dieser Frage bei weitem übersteigen, denn dann müssen die kontroversen Sichtweisen dieser Thematik vom Photon bis hin zum Licht begriffen werden.
Ich habe aber heute, am Tag der Arbeit, keine Lust zu arbeiten, daher empfehle ich dir, meinen eigenen Ausführungen mal unter der folgenden Frage zu folgen:
Wie kommen die kontinuierlichen Schwingungen des Lichts zustande?
Auch die Antwort von StellarisMind ist recht gut, wenn auch für Laien etwas schwierig, alle anderen geben keine empfehlenswerten Antworten.
Ah, danke für die Erklärung! Und weißt du zufällig auch, welches Experiment als erstes die Teilchennatur nahelegte (aus heutiger Sicht) ?