Wellenbild des Lichts wiederlegen?

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8 Antworten

Hier muss ich etwas ausholen:

Dass ein Argument die Wellennatur des Lichts widerlegen könnte, meint sicherlich nicht, dass die Wellennatur des Lichts nicht zuträfe.

Entweder sind damit lediglich Argumente gemeint, die gegen die Wellennatur des Lichts zu sprechen scheinen.

Oder es geht um die Wellennatur des Lichts als wissenschaftliche These, die im Sinne Sir Karl Poppers falsifizierbar sein muss. Das heißt, es gibt Methoden, mit denen man versuchen kann, sie zu widerlegen. Das unterscheidet eine wissenschaftliche Theorie von Pseudowissenschaft, denn die wappnet sich durch unklare Aussagen selbst gegen Falsifizierung, aber auch von gewissen (natur)philosophischen Annahmen, die sich nicht überprüfen lassen.

Nun aber zum Licht:

Poisson-Fleck

Ein wichtiges experimentelles Argument lieferte der französische Physiker Siméon Denis Poisson - wie er meinte, gegen - die Wellennatur des Lichts: Wenn Licht ein Wellenphänomen wäre, so müsste sich durch Beugung und konstruktive Interferenz hinter einem lichtundurchlässigen Objekt in essen Schatten ein Lichtfleck bilden.

Er hilt das für absurd, aber François Arago wies genau diesen Fleck nach. Er ist heute nach dem Mann benannt, der ihn als Argument gegen die Wellentheorie des Lichts ins Feld geführt hatte. (https://de.wikipedia.org/wiki/Poisson-Fleck)

Fehlendes Medium 

Als weiteres Argument gegen die Wellennatur des Lichts könnte man ins Feld führen, dass sie Galileis Relativitätsprinzip in Frage stellt. Wellen brauchen für gewöhnlich ein Medium, das einen bestimmten Bewegungszustand hat.

Ein Koordinatensystem, in dem das Medium ruht, sollte sich physikalisch gegenüber anderen Koordinatensystem durch eine besondere Symmetrie seiner physikalischen Gesetze auszeichnen, und da sich die Erde bewegt, müsste sie dieses Medium entweder mitführen oder es müsste sich die Erdbewegung nachweisen lassen. Beides wurde falsifiziert.

Allerdings liefert die Spezielle Relativitätstheorie einen Ausweg aus dem Dilemma. Sie verbindet Galileis Relativitätstheorie mit der Aussage, dass die Ausbreitung von Lichtwellen mit einem bestimmten Geschwindigkeitsbetrag c=299792458m/s (der Wert ist übrigens exakt, da man im Wissen um die Absolutheit von c 1983 den Meter über die Zeit definiert, die das Licht dafür braucht) ein Naturgesetz ist und diesem Relativitätsprinzip unterliegt.

Quantelung des Lichts

Dies ist kein Argument gegen die Wellennatur des Lichts mehr, verspricht aber die Rückkehr der Newton'schen Korpuskeln im neuen Gewand. Aus der energetischen Verteilung der Hohlraumstrahlung hatte Max Planck schon 1900 geschlossen, dass Lichtenergie immer nur in Portionen zu h·f (f steht für die Frequenz und h ist eine Konstante, das Planck'sche Wirkungsquantum) absorbiert oder emittiert werden könne. Diese Portionen werden heute Photonen genannt.

Dies heißt Lichtquantenhypothese und sie wurde 1905 vom damals am Berner Patentamt tätigen jungen Physiker Albert Einstein aufgegriffen, um den Photoelektrischen Effekt zu erklären.

Wird Metall im Vakuum mit Licht bestrahlt, so gibt es Elektronen ab, was sich als Photostrom bemerkbar macht. Allerdings muss dieses Licht eine Mindestfrequenz haben, die übrigens vom Metall abhängt (je edler das Metall, desto höher die Frequenz), sonst passiert nichts, egal, wie hell man das Licht. macht, wie hoch also die Gesamtleistung ist.

Ich vergleiche dies der Anschaulichkeit halber immer gern mit einer Situation, in der ein Ball, der in einer Kuhle liegt, getreten wir, vielleicht einmal von einem Kleinkind, einmal von einem Fußballprofi. Das Kleinkind kann vielleicht 100 Mal dagegen treten, ohne dass der Ball die Kuhle verlässt, der Profi tritt ein mal dagegen und der Ball ist draußen. Das Photon, wohl bemerkt, entspricht dem Tritt.

Knapp 20 Jahre später hat Luis de Broglie eine Wellennatur auch bei Materieteilchen postuliert, Erwin Schrödinger eine Gleichung dafür aufgestellt und weitere gut 10 Jahre später durch George Thomson, Clinton Davisson und Lester Germer experimentell bestätigt.

Dies legt nahe, dass auch Photonen Teilchen mit einer Wellennatur sein könnten, aber genau das ist nicht der Fall. Es gibt zwar (unscharf) lokalisierbare Wellenpakete aus Licht (Lichtsignale), aber das sind keine Photonen, und Photonen sind keine Teilchen. Während bei einem Materieteilchen die kinetische Energie ggf. unscharf bestimmt und es dafür - mit begrenzter Genauigkeit, aber immerhin - lokalisierbar sein kann und dies gewöhnlich auch ist, etwa im Atom, ist das Photon durch seine genaue Energie gerade definiert. Dafür ist es überhaupt nicht lokalisierbar, und umgekehrt ist in einem Lichtsignal sogar ihre Anzahl nur unbestimmt definiert.

Dies habe ich selbst erst vor wenigen Jahren verstanden, als ich gebeten wurde, eine Art Schrödinger-Gleichung für das Photon aufstellen und ein Photon als Wellenpaket beschreiben sollte. Dabei stieß ich auf das Buch [Kuhn,Strnad: Quantenfeldtheorie. Photonen und ihre Deutung], das mir diesen Zahn zog.

Modellhaft kann man sich die Strecke zwischen zwei Wänden eines lichtundurchlässigen Kastens wie eine Guitattensaite vorstellen, dann ist das Photon ein elementares Schwingen der geamten Saite, und Obertöne entsprechen weiteren Photonen.

Licht ist also ein Wellenphänomen und trotz seiner Quantelung mehr Welle als Teilchen.

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Den Wellencharakter des Lichtes kann man nicht widerlegen, aber es gibt Beispiele für die Teilcheneigenschaft des Lichtes, welche im Widerspruch zu den Eigenschaften einer Welle stehen.

Gruß, H.

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Letztlich kann man das Wellenbild des Lichtes nicht widerlegen, da es ja zutrifft. Aber als Advocatus Diaboli gesprochen:

  • Das Licht hat eine Farbe. Wellen haben aber gar keine Farbe, sondern nur Teilchen haben eine Farbe. Also muss Licht aus Teilchen bestehen.
  • Wellen brauchen etwas, in dem sie sich ausbreiten. Licht gibt's aber auch im Vakuum - also muss es sich bei Licht um Teilchen handeln.
  • Wellen zerfließen und breiten sich in alle Richtungen aus. Ein Strahl aus Teilchen bleibt dagegen ein Strahl. Licht breitet sich in Strahlen aus - also ist es ein Teilchenstrahl.
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Wie willst du Bilder widerlegen?

Die machen wir uns, um etwas zu verstehen.
OK, vielleicht machen auch die Physik-Experten für die Physik-Laien Bilder.
Ist aber nicht mein Eindruck.

Licht ist nicht Welle, und ist nicht Teilchen, auch nicht mal Welle und mal Teilchen, auch nicht ein Kombination von Welle und Teilchen, und erst recht nicht Teilchen in/auf/über/durch einer(r) Welle.

Wenn manchmal das eine Bild hilfreicher ist, spricht das nicht gegen das andere BIld, denn das ist in anderen Zusammenhängen hilfreicher.

Und wahrscheinlich habe ich dir das vorgesagt, was du selbst hättest herausfinden sollen.
Falle auch ab und zu mal rein.

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Widerlegen kann man es nicht, aber was für das andere Denkmodell (Fotonen) spricht, ist dass das Licht eine Kraft ausübt. (Ca 70 mN / Hektare) bei vollem Sonnenschein.

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Widerlegung des Wellenbildes. Das hätte man vor 100 Jahren mal als Thema nehmen können, aber heute??? Es ist ein "Bild". Wenn dir jemand ein Bild zeigt, was willst du widerlegen? Das Bild selbst widerlegen geht nicht, es ist ja vorgelegt. Möglicherweise die Methoden, wie das Bild konstruiert wurde? Inzwischen sollte klar sein, dass "Licht" eine riesige Menge von Photonen beinhaltet, die als Teilchen in der Viel-Körper-Menge wie Wellen erscheinen. Bild - Bild . Korpuskel - Welle.

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Kommentar von ThomasJNewton
18.11.2016, 20:06

Du hast es nicht verstanden. Auch ein "einzelnes" Photon ist auch Welle, und interferiert, z.B.

Die Bilder sind halt nur Bilder, und lassen sich auch nicht addieren oder statistisch nivellieren.

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Das Licht hat Welleneigenschaften und Teilcheneigenschaften.

Teilcheneigenschaften hat es z.B. beim Fotoeffekt. Welleneigenschaften bei der Lichtbrechung und beim Doppelspalt-Experiment.

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