Das Anti-Photon

BLOG: Quantenwelt

Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

In meinem Beitrag zum Licht als elektrisches Kraftfeld bemerkte Martin Holzherr in einem Kommentar “Joachim will nach Möglichkeit auf Photonen verzichten.” Tatsächlich habe ich in recht kurzer Folge zwei Beiträge geschrieben, in denen ich die Bedeutung des Photonen-Konzeptes für die moderne theoretische Physik stark relativiert habe. Aber ich bin nicht das Anti-Photon, das war jemand anderes.

In dem älteren Beitrag zur Frage, ob Physik eine Realwissenschaft sei, habe ich ausgeführt, dass das Photon eher ein mathematisches Konzept der theoretischen Physik sei als ein Objekt der realen Welt. Hintergrund ist, dass einzelne Photonen kaum experimentell zugänglich sind. In der Regel haben wir es in der Physik mit elektromagnetischen Feldern zu tun, die sich nur als Überlagerung unzähliger Zustände mit unterschiedlichen Photonenzahlen darstellen lassen. Echte Ein-Photon-Zustände sind mit großem Aufwand annäherbar, in der Praxis aber selten anzutreffen.

In dem im Eingangssatz erwähnten Beitrag hat das Photon nichts zu suchen, weil es dort um Licht in der klassischen, also nicht-quantenmechanischen Grenzbetrachtung geht. Das ist der mit Abstand häufigste Fall in der Alltagsphysik. Die Energiedichte eines Lichtstrahls, ob er aus einer Nachttischlampe oder aus einem Schweißlaser kommt, ist in der Regel so viel größer als der kleinst mögliche Energieschritt, das Lichtquant, dass man die Quantisierung ignorieren kann. Im klassischen Limit kann man Licht mit den Maxwell-Gleichungen beschreiben und braucht sich um Lichtquanten, um Photonen nicht zu sorgen.

Nun möchte ich Photonen nicht abschaffen. Das Wort Photon ist in der Welt, es ist griffig, es wird verwandt, und es hat vor allem im der Teilchenphysik seinen festen, unverrückbaren Platz. Nur möchte ich davor warnen, sich unter Photonen das falsche vorzustellen. Licht ist kein Strom von Teilchen. Licht ist kein Sandstrahl aus winzigen Photonen. Vielmehr ist Licht ein quantenmechanisches Feld, das sich in Photonenzahlen quantisieren lässt.

Natürlich bin ich als Experimentalphysiker kein ausgesuchter Experte für Photonen. Ich habe mit ihnen gearbeitet. Ich habe versucht möglichst viele Photonen einer bestimmten Wellenlänge aus einem Laser herauszukitzeln. Ich habe Atomen und Molekülen mit dem Photoeffekt Elektronen entlockt um ihre Energiezustände zu erforschen. Ich habe in meiner Diplom- und Doktorarbeit nicht wenig Rechnungen zur Wechselwirkung von klassischen Lichtwellen mit Atomen angestellt. Aber ich habe keine neuen Entdeckungen im Bereich der Quantenelektrodynamik gemacht, in der die Photonen zuhause sein sollten.

Ein Mensch, der sich wirklich mit Photonen ausgekannt hat, ist W.E. Lamb, Jr. Für seine Berechnungen zur Feinstruktur des Wasserstoffatoms wurde diesem 1955 der Physiknobelpreis verliehen. Mit Hilfe der Quantenelektrodynamik, der Quantentheorie des Lichts hat Lamb präzise Rechnungen angestellt, die experimentell sehr genau bestätigt werden konnten. Und W.E. Lamb war ein Gegner von Photonen. Er war das Anti-Photon.

In einem Fachartikel mit dem Titel Anti-Photon, der 1995 in Applied Physics B erschienen ist, argumentiert Lamb, warum man den Begriff Photon in der Physik nicht braucht. Er beginnt die kurze Zusammenfassung dieses Artikels mit den Worten: “It is high time to give up the use of the word “photon”, and of a bad concept which will shortly be a century old.”

Nach einer historischen Einführung  erklärt Lamb, warum es das Photon in der modernen Physik nicht braucht, warum es gar schädlich ist. Das Photon wird in der Quantentheorie des Lichts in mehreren Schritten eingeführt: Zunächst wird das Feld allgemein als Verteilung über den Raum eingeführt, wie ich es in meinem letzten Blogbeitrag geschildert habe. Jedoch muss es kein klassisches Kraftfeld sein, es ist ein Feld aus quantenmechanischen Operatoren, die auch sowas wie Paarerzeugung hinbekommen. Dann wird das Feld durch eine Transformation in verschiedene Schwingungsmoden zerlegt. Dann wird jede einzelne Schwingungsmode als ein schwingfähiges System quantisiert. Ich habe den Vorgang kurz auf einer Seite meiner Homepage Quantenwelt beschrieben.

Nun kann zwar die Anregung jeder einzelnen dieser Moden mit einer diskreten Zahl angegeben werden. Jedes quantenmechanische schwingfähige System hat eine quantisierte Energie von (1/2+n)hv, aber das Lichtfeld besteht in aller Regel aus unendlich vielen dieser Moden, die miteinander im Austausch stehen und quantenmechanisch überlagert sind. Reale Systeme bestehen nicht aus einer disktreten Anzahl von Anregungen. Sie sind komplizierte quantenmechanische Gebilde. Man kann ein Lichtfeld, wenn man Glück hat, als Wellenfunktion darstellen. Wenn es etwas komplizierter ist, kann man nichtmal das. Dann braucht es eine Dichtematrix, die die Anregungen der verschiedenen Moden und ihre quantenmechanische Verschränkung vollständig beschreibt. Das Feld mit Photonen zu beschreiben, ist fast immer aussichtslos.

Ich stimme Lamb nicht darin zu, dass man das Wort Photon abschaffen sollte. Ich glaube auch nicht, dass man das überhaupt könnte. Aber ich plädiere dafür, nachzudenken, wann man den Begriff Photon zur Beschreibung von Licht wirklich braucht und wan man nicht lieber, zugunsten der Anschaulichkeit, darauf verzichten sollte.

Joachim Schulz

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

47 Kommentare

  1. Anti-Photon

    Ach – die Anti-Photonen sind doch längst erfunden. Ich verweise auf den berühmten Dr. De Selby, dem es, sagt man, gelang, die Dunkelsubstanz auf Flaschen zu ziehen.

    Weiterführende Literatur:
    Flann O’Brien:
    Der dritte Polizist
    Aus Dalkey’s Archiven

  2. Was knackt im Geigerzähler?

    Einzelne Photonen kann man mit Hilfe eines Photoelektronenvervielfachers nachweisen.

    Energiereiche Photonen kann man auch mit dem Geigerzähler nachweisen.

    Offene Fragen:

    Die elektrostatischen Kräfte werden durch den Austausch von virtuellen Photonen bewirkt, die keine Energie übertragen können.

    Bei der elektrostatischen Abstossung ist das leicht verständlich.

    Wie kann der Austausch von virtuellen Photonen eigentlich eine Anziehungskraft erzeugen?

    Müssten die virtuellen Photonen dann nicht einen negativen Impuls haben?

    Ist die folgende Berechnung der Reichweite virtueller Photonen in Bezug auf ihre Wellenlänge richtig?

    Was bedeutet das Ergebnis in der Realität, und besonders im Hinblick auf den Casimir-Effekt?

    http://members.chello.at/….bednarik/VIRTPHOT.PNG

  3. @Karl Bednarik

    Sind sie sicher, dass Photoelektronenvervielfacher und Geigerzähler einzelne Photonen nachweisen? Oder weisen diese Geräte die Wechselwirkung einzelner Atome mit dem elektromagnetischen Feld nach?

  4. Das ist eine gute Frage.

    Wenn ein instabiler Atomkern zerfällt, dann sendet er mindestens ein Teilchen aus, und in einigen Fällen ist das ein energiereiches Photon.

    Die Wechselwirkungen einzelner Atome mit dem elektromagnetischen Feld stellen sich zumeist als sehr kurze Impulse mit sehr langen Pausen dazwischen dar, so dass nicht gerade ein sehr kontinuierlicher Feldeindruck entsteht.

    Der Cobra-5005 Gamma-Counter von Canberra-Packard zählt mit Hilfe von mit Thallium dotierten Natriumiodid-Kristallen die Gammaquanten von zum Beipiel Chrom 51 nicht nur einzeln, sondern er bestimmt auch noch ihre Energie, so dass man neben Chrom 51 auch noch die Strahlung anderer Elemente nachweisen kann.

  5. Nachtrag:

    Gedankenexperiment zur individuellen Existenz von energiereichen Photonen:

    Auf irgend einen geigneten inerten Monokristall werden einige Chrom 51 Atome aufgedampft, und mit dem Rastertunnelmikroskop abgebildet.

    Innerhalb von 27,7 Tagen geht die Hälfte dieser Atome in Vanadium 51 über.

    Das Rastertunnelmikroskop kann das für jedes einzelne Atom nachweisen, wenn die Vanadium 51 Atome adsorbiert bleiben, oder die Vanadium 51 Atome werden durch den Rückstoss weg geschleudert, und fehlen dann, was man auch nachweisen kann.

  6. @Karl Bednarik: Photonenspuren

    Nein, man kann keine Photonenspuren in der Blasenkammer sehen. Nur geladene Teilchen hinterlassen Spuren.

    Zu ihren ersten beiden Einwänden:
    Felder müssen nicht kontinuierlich sein. Wir beobachten in all diesen Fällen lediglich, dass Materie die Energie in Quanten, also in ganzen Energiepaketen an das elektrische Feld übertragen. Das ist keine Eigenschaft des elektromagnetischen Feldes, sondern der zerfallenden Objekte, die von einem diskreten angeregten Zustand in einen energieärmeren Zustand übergehen. Die Energie, die sie an das Feld übertragen, muss natürlich der Energiedifferenz der beteiligten Zustände entsprechen. Eine Eigenschaft des Feldes ist das nicht.

  7. Man kann zwar keine Photonenspuren in der Blasenkammer sehen, aber Photonen kann man in Blasenkammern durchaus nachweisen. Speziell in Blasenkammern mit schweren Flüssigkeiten (Gargamelle z.B.) bilden Photonen elektromagnetische Schauer. Die Elektronen und Positronen sieht man und man kann Energie und Richtung des ursprünglichen Photons sehr schön rekonstruieren. Aus zwei solcher Photonen kann man auch versuchen, das Teilchen zu rekonstruieren, aus dessen Zerfall sie möglicherweise stammen, z.B. ein pi0. Das wird mit anderen Formen von Schauerdetektoren in jedem modernen Teilchenphysikexperiment routinemäßig gemacht.

    Aber: diese Detektoren können nicht unterscheiden, ob es nur ein Photon war oder mehrere kollineare Photonen. Es gibt auch immer eine Energieschwelle, unterhalb der Photonen nicht detektiert werden können.

    Theoretisch ist die Photonenzahl allenfalls in der niedrigsten Ordnung der Störungstheorie der Quantenelektrodynamik definiert. Rechnungen höherer Ordnung mit fester (äußerer) Photonzahl neigen dazu, zu divergieren. Das lässt sich (häufig? manchmal? immer? – ich bin kein Theoretiker) beheben, indem man zusätzliche kollineare und niederenergetische Photonen zulässt, also gerade die, die das Experiment sowieso nicht sehen kann.

    Was ich damit sagen will: In der Teilchenphysik, Kernphysik etc. kommt man sicherlich nicht damit hin, von einen elektromagnetischen Feld statt von Photonen zu reden. Die “Körnigkeit” ist einfach zu offensichtlich im Experiment. Aber gelegentlich schadet es nicht, sich in Erinnerung zu rufen, dass die Photonenzahl keine Erhaltungsgröße ist.

  8. Mössbauer-Effekt

    Bei der rückstossfreien Emission und Absorption eines Gamma-Quants durch einen Atomkern beim Mössbauer-Effekt sieht man auch, dass die Emission und die Absorption in der Form eines individuellen Photons stattfindet, während in der Zeit dazwischen die Energie in irgend einer anderen Form im Raum verteilt ist.

  9. C60

    Auch mit Buckminster-Fulleren-Molekülen C60 hat man ein Interferenzmuster erzeugen können, so dass auch dieses Molekül einen Wellencharakter hat.

    Am Start und am Ziel ihrer Bewegung sind es individuelle Dinge zum anfassen, und während ihrer Bewegung sind es interferierende Wellen.

    Das ist für einen Chemiker ein wenig beunruhigend, denn man kann sogar einzelne Kohlenstoffatome mit dem Rastertunnelmikroskop wie Billardkugeln hin und her bewegen.

    Hoffentlich kommt niemand auf die Idee zu sagen, dass der Raum von einem C60-Wellenfeld erfüllt ist.

    Wie man individuelle Moleküle zusammen setzt:

    http://www.physics.uci.edu/~wilsonho/N0100.htm

  10. @Karl Materie

    Hallo Karl,
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    Auch mit Buckminster-Fulleren-Molekülen C60 hat man ein Interferenzmuster erzeugen können, so dass auch dieses Molekül einen Wellencharakter hat.
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    du kannst mit jedem Teilchen Interferenz erzeugen.
    Denn ein Teilchen ist nur eine schwingende Menge.
    Das gilt für alle Materie des Alls!

    Gruss Kurt

  11. Relativierung des Begriffs “Photon”

    So ganz nachvollziehen kann ich die Relativierung des Photonen-Begriffs als reines Konzept nicht in diesem Blog-Post.

    V.a. bei Doppelspaltexperimenten ist man doch mittlerweile soweit, dass man einzelne Photonen scheinbar experimentell vor und hinter dem Spalt erzeugen und detektieren kann. Wieso also den Begriff relativieren oder abschaffen wenn er in diesem Experimenten Gang und Gebe ist?

    Ein Teilchen lässt sich lokal detektieren im Gegensatz zu einem Feld, den Feld-Begriff ist ja nur nötig bei räumlich ausgedehnten Messgrössen. Nichtsdestotrotz wechselwirken aber alle Quantenobjekte wie Wellen und nicht wie verfolgbare klassische Teilchen, das ist ja das Paradox und wodurch dieser Übergang bestimmt ist. Mittlerweile wird ja auch schon an Atom Lasern mit Bose Einstein Kondensat geforscht.

    @Karl

    man muss imho momentan vom Teilchen mit Wellencharakter sprechen. Das schönste messtechnische Abbild dieser Definition ist meines Wissens immer noch die Quantum Mirages von örtlich eingeschlossen ElektronenDoppelspaltexperimenten

    @Kurt

    schwingende Menge? und Raider heisst jetzt Twix, alles klar. Schade, dass man Hausierer im Netz nicht aussen vor lassen kann.

  12. @Klaus Wacker: Hochenergiephysik

    Hallo Klaus Wacker,

    Dass der ernsthafteste Gegenwind aus der Hochenergiephysik kommen wird, habe ich mir schon gedacht. Aber auch hier kann man Lambs Konzept folgen und ohne Photonen auskommen.

    Wir müssen uns vergegenwärtigen, dass Lamb keine neue Physik vorgeschlagen hat. Er hat die Quantenelektrodynamik perfekt beherrscht und ist eben ohne Photonen ausgekommen.

    Im Fall des zerfallenden Pi-Mesons muss man sich die richtigen Moden raussuchen, die beim Zerfall angeregt werden. Das sind im Scherpunktsystem auslaufende Kugelwellen. Damit man die räumliche Auflösung bekommt, wird man die Oberfläche mit Kugelflächenfunktionen aufteilen und hat dann praktisch auslaufende Lichtstrahlen.

    Der Zerfall des Pions muss dann, um Energie und Impuls zugleich erhalten zu können, zwei Moden anregen, die in entgegengesetze Richtungen auslaufen. Wegen der begrenzten Lebensdauer werden die Auslaufenden Moden auch nicht monochromatisch sein. Es wird vielmehr ein ganzes Spektrum mit der entsprechenden Energiebreite angeregt werden. Die Gesamtenergie ist natürlich streng erhalten, aber es laufen keine zwei Teilchen aus, sondern zwei Wellenpakete.

    Ich denke, dass dieses Bild dem naiven Photonenbild überlegen ist, weil es die tatsächliche quantenphysikalische Realität beschreibt und keine Vereinfachung auf klassische Teilchen.

  13. @ursuppe

    Ich verstehe nicht, warum man ein scheinbares Paradoxon unbedingt aufrecht erhalten sollte, wenn es bereits eine Ouantentheorie des Lichts gibt, die Widerspruchsfrei ist. Den Welle-Teilchen-Dualismus braucht man nicht, wenn man sich unter Photonen das richtige Vorstellt. Wenn man also einsieht, dass Photonen keine klassischen Teilchen sind, sondern elementare Anregungen von Feldmoden, die selbstverständlich auch lokalisiert sein können. Ein Feld hat immer eine gewisse Ausdehnung, aber die kann durchaus klein sein.

    Was aus dem naiven Photonenbild werden kann, sieht man ja an den Missverständnissen Kurts. Ich denke hier ist der Springende Punkt in Lambs Argumentation: Laien und Anfänger verwirrt der Begriff “Photon”, Profis brauchen ihn nicht, denn die können ebenso gut mit quantisierten Feldern rechnen.

  14. @Karl Bednarik

    Keine Sorge 🙂
    An C60 Felder denke ich noch nicht, aber an den Gedanken an Quark- und Leptonen-Felder kann man sich doch gewöhnen, oder.

  15. @joachim

    Damit kann ich leben. Aber das Bild/Konzept der Quantenfeldtheorie vom Photon als Elementaranregung dieses Feldes ist dann doch sehr abstrakt und mathematisch, zumal QFT nicht mal Standardvorlesung in der Physik ist.

    Der erwähnte Comptoneffekt wird ja auch aus Impulsgleichungen abgeleitet, wieder Licht als Teilchen. Auch bei dem Doppelspaltexperimenten bekommt man kein unscharfes Feld, sondern Punkte, das Feld scheint also durch einen Spalt stärker zu gehen als den anderen bei einem Feldquant. Es ist verhext 🙂 Vor allem für Lehre und Wiss. Kommunikation scheint mir dass doch besser als den Neulingen mit QFT-Konzepten zu kommen. Der Begriff der virtuellen Teilchen/Phtonen der hier viel ist ja auch wieder so abstrakt, dass man es eigentlich nicht erklären kann. Vielleicht kan man sagen die QFT Beschreibung ist mathematisch weniger paradox, aber das Experiment bleibt nach wie vor verblüffend? Und die QFT erklärt doch eigentlich auch nicht dieses Paradox bzw. die Natur des Photons beim Doppelspalt, man müsste ja erklären, woher das Feld weiss, dass da zwei Spalte sind. Wär vielleicht mal spannendes Thema für Blog-Post, weil die Quantennatur bei keinem Experiment so zu Tage tritt imho und Sie als Laser-Physiker sicherlich viel Licht ans Ende des Tunnels bringen können.

  16. @Joachim Photonen und Nachfolger

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    Was aus dem naiven Photonenbild werden kann, sieht man ja an den Missverständnissen Kurts. Ich denke hier ist der Springende Punkt in Lambs Argumentation: Laien und Anfänger verwirrt der Begriff “Photon”, Profis brauchen ihn nicht, denn die können ebenso gut mit quantisierten Feldern rechnen.
    ———————-

    Was muss man noch alles ertragen bis Vernunft einkehrt!
    Wieviel “du Idiot” usw. ist noch notwendig damit die Logik zu ehren kommt.
    Es ist also Verwirrung wenn man behauptet dass das Photon ein reines Hirngespinnst ist, dass noch nie eins erzeugt wurde, noch nie eins über eine Strecke gelaufen ist, noch nie eins detektiert worden ist.
    Es hilft auch nichts jetzt von -du verstehst es falsch- zu reden.
    Es gibt nur ganz wenige Denker die nicht an reale Photonen glauben.
    Gut wenn sich da was ändert.
    Aber!
    Es scheint ein Weg vom Regen in die Traufe zu sein.
    Denn -das Photon wird nicht mehr gebraucht, wir haben ja Quanten-.
    Nehmen wir halt zu den Feldern noch Quanten dazu, irgendwie wird es sich schon rechnen lassen.

    Dann stell ich halt die Frage in den Raum:
    Was ist ein Quant, wo wurde so ein Ding jemals beobachtet, erzeugt, detektiert.
    Nirgends, kein Wunder, es gibt auch keins.
    Wenn man sagt das Materie eine Menge an, besser gesagt, aus Mengen von jeweils selbstständig schwingender Substanzmenge besteht, ja dann wird man als “Haustier” betitelt.
    Es gibt hier anscheinend niemanden der in der Lage ist über den Dipol zu reden, auch nicht übers Licht, die Vorgänge um den Photoefekt zu besehen, aber an althergebrachten Vorstellungen, ja da scheint Kleber zu haften.

    Jedes Materieteilchen, damit ist nicht ein Atom oder Proton gemeint, sondern die Grundbausteine davon(BT), ist eine in sich abgeschlossene Schwingeinheit.
    Darum wird jede Materie zur Interferenz gebracht werden können.
    Und das beweist ihren “Wellencharakter”.

    Licht ist keine Welle, Licht ist kein Teilchen, Licht ist kein Strang von Quanten.
    Licht ist ein rein mechanischer Vorgang.
    Hinsehen muss man sich halt trauen.
    Quanten gibts ebenso sicher wie Photonen, also keine!

    ——————–
    denn die können ebenso gut mit quantisierten Feldern rechnen.
    ——————–

    Soll sich also der Fortschritt im Berechnen erschöpfen!
    Erschöpfen im Hantieren mit Hilfsvorstellungen?
    Hoffentlich nicht.

    Sind denn nicht Felder eine Hilfe um sich räumlich was vorstellen zu können, einen Eimer für Vektoren und Variablen zu haben?
    Ja oder nein!
    Oder ist das gemachte Gerede dazu nicht relevant.
    Denn hier tauchen sie plötzlich als -Dinge- auf.

    Gruss Kurt

  17. @Ursuppe Doppelspalt

    —————–
    Auch bei dem Doppelspaltexperimenten bekommt man kein unscharfes Feld, sondern Punkte, das Feld scheint also durch einen Spalt stärker zu gehen als den anderen bei einem Feldquant. Es ist verhext 🙂
    —————–

    Es ist ganz leicht zu erklären warum es hinter dem Doppelspalt -körnig- zu geht.
    Es kann gar nicht anders sein.

    Gruss Kurt

  18. Ein Elektron zum Anfassen

    Man kann sogar ein einzelnes Elektron in eine Penning-Falle sperren, und es auch noch nachweisen, ohne dass es dabei verloren geht.

    Wenn man nun zwei solcher Geräte neben einander stellt, dann hat man zwei unterscheidbare Individuen realisiert, das linke Elektron und das rechte Elektron.

    http://theorie3.physik.uni-erlangen.de/…nium.pdf

    Es sind doch Billardkugeln:

    In der Chemie sind die Atome gar nicht so unbestimmt.

    Der Van-der-Waals-Radius ist jener Abstand, in dem die starke abstossende Kraft in eine schwache anziehende Kraft übergeht (wenn man von innen kommt).

    Daher sind die Kalottenmodelle von Molekülen durchaus realistisch, besonders was die sterische Behinderung angeht.

    Auch die Lokalisierung von Atomen ist in der Chemie nicht so unbestimmt.

    Es gibt zwei Formen von Dichlorethan C2H4Cl2, und die Chloratome bleiben brav dort, wo sie hin gehören.

    CH2Cl-CH2Cl und CHCl2-CH3.

  19. Zweiter Nachtrag:

    Nichtlokal lokalisiert:

    1,2-Dichlorethan CH2Cl-CH2Cl,
    1,1-Dichlorethan CHCl2-CH3.

    Mit 1,1-Dichlorethan-Molekülen kann man bestimmt ein Interferenzmuster erzeugen.

    Die ankommenden Moleküle werden aber immer noch aus 1,1-Dichlorethan bestehen, und nicht aus einem Gemisch von 1,1-Dichlorethan und 1,2-Dichlorethan.

    Obwohl die 1,1-Dichlorethan-Molküle über den Raum verschmiert waren, wurden die Chloratome nicht über die Moleküle verschmiert.

    Ist das nicht seltsam?

  20. @Karl Bednarik

    Sie haben mich verloren. Doppelspaltexperimente an Molekülen sind sicher ein spannendes Forschungsfeld. Aber mit diesem Artikel haben sie nicht viel zu tun. Worauf wollen Sie hinaus?

  21. Hallo Joachim,

    Ich dachte, dass man damit Licht in das Verhältnis von Feld, Welle, und Teilchen bringen kann.

    Photonen haben, im Gegensatz zu Atomen, allerdings keine Ruhemasse.

  22. @Joachim Schulz

    Interessanter Beitrag. War mir nicht bekannt, dass Lamb so ein Photonen-Häretiker war.

    Bei einem Blick in das Anti-Photon Paper fällt auf, dass Lamb auch die Bezeichnung QED scheinbar nicht mag und lieber von QTR (Quantum Theory of Radiation) spricht. Als Lamb 1947 seine Untersuchungen vornahm existierte auch noch keine QED (insofern erscheint Ihre Formulierung, er habe mit Hilfe der Quantenelektrodynamik Berechnungen durchgeführt, durchaus strittig). Die Entdeckung des Lamb shift war dann eher ein Anstoss zur Entwicklung der QED, mit deren Methoden sich Lamb möglicherweise aber nicht anfreunden konnte. QED ohne Feldquantisierung, das geht gar nicht. Da dominieren die Teilchenaspekte, wie Richard Feynman es in seinem QED Bücherl augedrückt hat:

    I want to emphasize that light comes in this form — particles. It is very important to know that light behaves like particles, especially for those of you who have gone to school, where you were probably told something about light behaving like waves. I’m telling you the way it does behave — like particles.

    Die Quantisierung des elektromagnetischen Feldes verleiht dem Photon aber weder einen Ort noch eine Richtung. Ein Quantenpartikel muss absolut nicht irgendwie “punktförmig aussehen”, das ist genau die falsche Assoziation, die mit dem Wort “Partikel” einhergeht. Bisher hat es nur scheinbar noch niemand geschafft, den abstrakten Prozess der Feldquantisierung adäquat zu veranschaulichen.

    N.B. Ein Typo im vorletzten Absatz: Dichtematrik -> Dichtematrix

  23. @Karl Bednarik: Masse

    Ah, ich verstehe.

    Ja, Ruhemasse ist der entscheidende Punkt. Quantenobjekte mit Ruhemasse kann man in der nicht-relativistischen Näherung sehr gut als Teilchen verstehen. Aber mit der Einschränkung, dass auch sie Teilchencharakter haben.

    Im Doppelspaltexperiment kommt es darauf an, dass alle anderen Wechselwirkungen schwächer sein müssen, als die atomare Bindung.

  24. @Chrys: QED vs. QTR

    Lamb macht hier keine Unterschied zwischen der Quantenelektrodynamik (QED) und der Quantentheorie der Strahlung (QTR) sein erster Satz lautet: “The underlying science of light is called the Quantum Theory of Radiation (QTR), or Quantum ElectroDynamics (QED).”

    Er lehnt also QED nicht ab und verwendet QTR synonym. Auch lehnt er ja die Feldquantisierung keinesfalls ab. Nur den Namen “Photon” für die Lichtquanten mochte er nicht. Und das hauptsächlich aus didaktischen Gründen. Der Schluss seiner Einleitung lautet: “The photon concepts as used by a high percentage of the laser community have no scientific justification. [..] The sooner an appropriate reformulation of our educational processes can be made, the better.”

    Ich denke, man kann auch mit Feynman am Photonenbild festhalten, aber dann muss man genau die Einschränkungen am Bild machen, die Sie genannt haben. Teilchen müssen nicht lokalisiert sein, sie müssen nicht einmal eine definierte Anzahl haben. Meine Meinung ist aber, dass es einfacher ist, das Wellenbild zu modifizieren, dass es die QED beschreibt, als das naive Teilchenbild.

  25. @Joachim: Teilchenphysik

    Wie man in der Teilchenphysik, oder generell da, wo man Reaktionen (Kollisionen, Zerfälle) ereignisweise aufzeichnet, ohne Photonen auskommen soll, sehe ich wirklich nicht. Man kann die Ereignisse gar nicht anders rekonstruieren.

    Aber rekonstruierte Ereignisse sind noch kein physikalisches Ergebnis. Das kriegt man erst dadurch, dass man viele Ereignisse zusammentut und Häufigkeitsverteilungen von Energien, Winkeln, invarianten Massen etc. macht. Da kommen dann auch die Energieunschärfen und Moden ins Spiel.

    Die Kugelflächenfunktionen habe ich vor langer Zeit mal in der Elektrodynamik gelernt, bei der Multipolentwicklung, wenn ich mich recht erinnere. Praktisch angewandt habe ich sie (und d-Funktionen) bei Teilchenzerfällen, und zwar ganz unabhängig davon, ob dabei Photonen im Spiel sind oder nicht. Ich sehe deswegen auch nicht, weswegen man zwischen Photonen und anderen Teilchen einen Wesensunterschied machen sollte. Auch die Ruhemasse 0 sehe ich nur als Detail.

  26. @Klaus Wacker

    Ja, das ist ein guter Einwand. In der Teilchenphysik arbeitet man mit Energien, in denen der Einfluss der Ruhemasse unerheblich wird. Lamb kritisiert auch viel eher den Einsatz des Photons in der (Quanten-)Optik. Er schreibt im Abstract:
    “Objects like electrons, neutrinos of finite rest mass, or helium atoms can, under suitable conditions, be considered to be particles, since their theories then have viable non-relativistic and non-quantum limits.”

    Nach dieser Logikl duerfte man aber in der Teilchenphysik nicht mal mehr von Elektronen und Neutrionos sprechen, sondern nur noch von Quanten des Elektronenfeldes und des Neutrinofeldes. Das würde Diskussionen recht sperrig machen. Kein Wunder, dass sich der Begriff “Photon” gegen Lambs Widerstand durchgesetzt hat.

    Dennoch hat er einen Wunden Punkt in der Laserphysik und Quantenoptik angesprochen. Dort wird der Begriff “Photon” oft falsch verwendet.

  27. @Joachim / QED vs. QTR

    Sec. 3 beginnt Lamb mit den Worten: “In 1927, P. Dirac developed the Quantum Theory of Radiation (QTR).” Das lässt sich nur widerstrebend als synonym zu dem akzeptieren, was Tomonaga, Schwinger, und Feynman unter dem Namen QED in die Welt gesetzt haben. Diese letzteren erwähnt er auch überhapt nicht.

    In 6.1 widerspricht er Feynman scheinbar geradezu, wenn er sagt

    Photons cannot be localized in any meaningful manner, and they do not behave at all like particles, whether described by a wave function or not.

    Tatsächlich ist es gar nicht so widersprüchlich, wenn man das Zitat von Feynman auf die Wechselwirkung, das von Lamb auf die Ausbreitung von Photonen bezieht.

    Jedenfalls braucht es eine Erklärung dafür, warum die bei einem Quantensprung generierte Strahlung immer nur als ein einheitliches, unteilbares Objekt interagiert. Ohne eine Quantisierung des Feldes anzunehmen, wird sich das nicht erreichen lassen.

    Lamb scheint mit der Idee einer Wellenfunktion zur Quantisierung elektromagnetischer Felder sympathisiert zu haben. Das wäre dann aber eine völlig andere Vorstellung von Feldquantisierung als das, was man normalerweise darunter versteht.

  28. Photonen und Konzepte

    Ohne jetzt entsprechende Literatur zur Hand oder frisch im Gedaechtnis zu haben: Soweit ich mich entsinne, hatte man im Rahmen der Quantenoptik festgestellt, dass unter bestimmten Umstaenden ein klassisches und ein quantisiertes elektromagnetisches Feld identische Resultate liefern (vermutlich im nichtrelativistischen Grenzfall). Speziell galt das fuer thermische Felder, und kohaerente Zustaende bzw. Feldzustaende, die sich in bestimmter Form mit kohaerenten Zustaenden darstellen lassen. D.h. wir haben ein Mapping Quantenzustand -> klassisches Feld mit dazugehoeriger Aenderung des Hamiltonoperators, das keine Messwerte aendert. Alle sind gluecklich, oder?

    Einen Punkt zur Didaktik haette ich dann noch. Angenommen, wir wollen einen Absorptions-Wirkungsquerschnitt berechnen. Im quantisierten Bild nehmen wir z.B. einen Zustand |g, n> (Grundzustand g, n Photonen), der in den Zustand |e, n-1> uebergeht, setzen alles in Fermi’s goldene Regel ein und fertig. Wenn ich das klassisch versuche, habe ich ein Problem: Mein Wechselwirkungshamiltonian ist zeitabhaengig. Die Zeitabhaengigkeit kann ich zwar wegbekommen, indem ich z.B. eine ebene Welle annehme und die Rotating Wave Approximation benutze, aber dann rutscht ploetzlich mein angeregter Zustand e um eine Photonenenergie nach unten. Das wirkt im klassischen Feld etwas mystisch, in einem quantisierten Bild ist das trivial, weil ich im Zustand e ja ein Photon absorbiert habe.

    Soll heissen: Photonen sind nicht immer schlecht.

  29. @Ulf Lorentz und Chrys

    Ich glaube, hier gibt es ein Missverständnis. Weder Lamb in dem Paper noch ich in meinem Blog wollen eine neue Physik des elektromagnetischen Feldes etablieren. Es handelt sich auch nicht um die Semiklassische Näherung, bei der das Licht als klassische Welle und das Atom als Quantenobjekt beschrieben wird.

    Die Semi-Klassische Näherung war Thema meines vorherigen Beitrags “Licht als elektrisches Kraftfeld”. Hier geht es um die Quantentheorie des Lichts. Lamb beschreibt die Quantisierung des Feldes in dem Paper ziemlich genau so, wie ich sie in der Vorlesung “Quantenmechanik II” Mitte der 90er gelernt habe und wie ich sie gestern Abend nochmal im Lehrbuch von Mandel und Wolf nachgelesen habe.

    Dabei wird das Lichtfeld nicht durch Wellenfunktionen, sondern durch quantenmechanische Operatoren beschrieben und die Lichtquanten treten analog zu harmonischen Oszillatoren als Anregungen der Feldmoden auf.

    Der Grund, warum Lamb nicht Feynman in der historischen Übersicht erwähnt ist der, dass er sich auf die Quantenphysik der elektromagnetischen Strahlung beschränkt und die QED elektrisch geladener relativistischer Teilchen außen vor lässt.

    Lamb hat nicht die Quantisierung abgelehnt. Er wollte auch nicht vorschlagen, man solle das Licht als klassische Welle beschreiben. Sein Argument ist: Wenn man die Quanten des elektromagnetischen Feldes als Teilchen beschreibt, weckt das oft falsche Vorstellungen.

    Dabei hatte er Quantenoptiker und Laserphysiker im Auge. In der Hochenergiephysik sieht das anders aus, weil sich hoch relativistische Massive Teilchen gar nicht mehr so stark von den Quanten des Lichtfeldes unterscheiden.

    Der letzte Satz von Ulf Lorentz trifft also nicht den Punkt. Man kann das quantisierte Feld auch verwenden, ohne seine Quanten als Teilchen zu bezeichnen und sie Photonen zu nennen.

  30. @Joachim

    Das Lehrbuch von Mandel und Wolf, ist das “Optical Coherence and Quantum Optics”? Das habe ich jetzt kurz angeschaut, und in Ch. 10, das ist unschwer als kanonische Feldquantisierung zu erkennen. Dieses Vorgehen führt zu Operatoren für Kreation, Annihilation, und Partikelzahl von Feldquanten (i.e. Photonen). Und der Dualismus Welle-Partikel wird hierbei hinreichend geklärt durch die Deutung eines einzelnen Photons als ein Strahlungsfeld mit Partikelzahl 1. Zur Beschreibung der quantisierten Wechselwirkungen zwischen Feld und Materie (wozu die QED ja auch dienen soll) ist die wellenhafte Ausbreitung des Strahlungsfeldes dann letztlich ohnehin belanglos.

    Lamb sah das aber offensichtlich doch ganz anders. Zur Frage des Dualismus bemerkt er in Sec. 8:

    There is a lot to talk about the wave-particle duality discussion of quantum mechanics. This may be necessary for those who are unwilling or unable to acquire an understanding of the theory. However, this concept is even more pointlessly introduced in discussions of problems in the quantum theory or radiation. Here the normal mode waves of a purely classical electrodynamics appear, and for each normal mode there is an equivalent pseudo-simple harmonic-oscillator particle which may then have a wave function whose argument is the corresponding normal-mode amplitude. Note that the particle is not a photon. […] However, such concepts are really not useful or appropriate.

    Seine Heuristik ist für mich insgesamt nicht als kanonische Quantisierung erkennbar. Und seine Pseudo-Partikeln sind in der Tat “not useful or appropriate”, da hat er recht.

    Wenn Photonen als Quantenpartikel bezeichnet werden, dann darf man das eben nicht durch allzu banale Bilder aus der Alltagswelt veranschaulichen. Stattdessen wäre es als reine façon de parler zu verstehen, die den Umstand ausdrückt, dass hier ein Partikelzahl Operator beteiligt ist, der ähnlich gestrickt ist wie etwa ein entsprechender Operator für Elektronen. Das ist nicht wirklich ein Problem, eher nur eine Frage der Gewöhnung.

  31. @Joachim

    Ich glaube, hier gibt es ein Missverständnis. Weder Lamb in dem Paper noch ich in meinem Blog wollen eine neue Physik des elektromagnetischen Feldes etablieren. Es handelt sich auch nicht um die Semiklassische Näherung, bei der das Licht als klassische Welle und das Atom als Quantenobjekt beschrieben wird.

    —-

    Also ich habe mir das Paper auf diesen Kommentar hin nochmal durchgelesen. Ganz zustimmen kann ich nicht, Lamb reitet bei einigen Bemerkungen durchaus auf der semiklassischen Naeherung herum, aber andererseits eiert das Paper IMO auch thematisch ein wenig, und dies scheint nicht die Hauptstossrichtung zu sein, von daher: stimmt.

    ———————————-

    Lamb hat nicht die Quantisierung abgelehnt. Er wollte auch nicht vorschlagen, man solle das Licht als klassische Welle beschreiben. Sein Argument ist: Wenn man die Quanten des elektromagnetischen Feldes als Teilchen beschreibt, weckt das oft falsche Vorstellungen.

    —-

    Zitat sec. 6.1: “Photons cannot be localized in any meaningful manner, and they do not behave at all like particles, whether described by a wave function or not.”

    Ich interpretiere das Paper so, das Lamb fuer die quantisierten Anregungen einer einzelnen Mode durchaus den Begriff Photon akzeptiert, aber ihn ablehnt, sobald man ein komplexeres Feld hat.

    Und hier kann ich nicht zustimmen. Wenn ich in die zweite Quantisierung wechsle, ist es weitestgehend egal, ob ich mit einem Elektron oder einem Photon rumspiele. Es handelt sich lediglich um andere Vertauschungsrelationen, und Photonen kann man schon mit endlichen Energien erzeugen, so dass die Teilchenzahl meist nicht erhalten ist.

    Und in der Analogie wird dann auch sein Argument ungueltig. Ich kann Elektronenwellenfunktionen genausogut in Eigenmoden zerlegen, und diese besetzen. Ich kann genausogut Photonen lokalisieren, indem ich einen Erzeuger/Vernichter im Ortsraum passend definiere; dabei verliere ich natuerlich die Kontrolle ueber die Frequenz des Photons, aber das ist beim Elektronenimpuls genauso.

  32. @Karl neues Doppelspalt

    Die Forscher um Aephraim Steinberg von der University of Toronto nutzten so genannte “schwache Messungen”, um die Wege zu verfolgen, auf denen einzelne Photonen durch die Versuchsanordnung flogen. Dafür verwendeten die Forscher einen doppelbrechenden Kristall, der die Polarisation eines Photons abhängig von dessen Flugrichtung ändert.

    Sie haben also die Polarisation beobachtet und daraus geschlussfolgert das es doch Photonen sein müssen.
    Photonen haben sie keine -gesehen-.
    Wie denn auch, es gibt keine.
    .
    Gibts zur Technik dieses “Doppelspalt” noch weitere Unterlagen?
    .
    Gruss Kurt

  33. Hallo Kurt,

    am unteren Ende der von mir verlinkten Seite gibt es weiter führende Hiweise.

    Die Philosophen sagen, dass das “Ding an sich” (Kant) dem Menschen unzugänglich ist.

    Wir erleben nur uns selbst, unsere Sinneseindrücke, und die Rückkopplung unserer Handlungen auf diese Sinneseindrücke.

    Das, was wir Objekte nennen, das sind Hypothesen auf die Mechanismen dieser Rückkopplungsvorgänge.

    Jeder Traum zeigt sofort, dass diese Objekte nicht immer real sein müssen.

    Wie wir diese Objekte jetzt nennen, das spielt überhaupt keine Rolle.

    Die Physik ist dazu da, eine mathematische Beschreibung der Abhängigkeit unserer Sinneseindrücke von unseren Handlungen zu liefern, die möglichst widerspruchsfrei ist.

    Wenn wir unsere Muskeln bewegen, um den Lichtschalter umzulegen, dann bekommen unsere Sehnerven ein Signal, das wir als Licht bezeichen.

    Was dabei in der Aussenwelt geschieht, das ist reine Theorie.

    Gerade die Quantenmechanik zeigt deutlich, dass in dieser Aussenwelt manche Vorgänge nicht gerade nach dem menschlichen Hausverstand ablaufen.

    Wenn man aber die Gleichungen der Quantenmechanik verwendet, dann kann man alle quantenmechanischen Vorgänge genau vorhersagen, auch wenn man sie überhaupt nicht versteht.

    Unser Hausverstand ist nur ein stark vereinfachtes neuronales Modell der Rückkopplungsregeln unserer näheren makroskopischen Umgebung.

    Weil wir mit dem Kopf gegen die Wand rennen können, liegen unserem Hausverstand natürlich die mechanischen Wechselwirkungen am nächsten.

    Beschreiben ist einfach, Erklären ist schwierig.

    Als ich noch zum Chemotechniker ausgebildet wurde, stellte ich die folgende Überlegung an:

    Die Festigkeit von Holz stammt hauptsächlich von Cellulosefasern.
    Die Cellulosefasern bestehen aus Glucosemolekülen.
    Die Glucosemoleküle bestehen aus Kohlenstoff-, Sauerstoff-, und Wasserstoff-Atomen.
    Die Atome bestehen aus Elektronen und Atomkernen.
    Die Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen.
    Die Protonen und Neutronen bestehen aus up- und down-Quarks.
    Na, ja, die Elektronen und die up- und down-Quarks, die sind dann eben einfach da.

    Hier folgt Erklärung auf Erklärung, bis am Ende jemand sagt: “Das ist eben so”.

  34. @Karl Materie

    Hallo Karl,

    Die Atome bestehen aus Elektronen und Atomkernen.
    Die Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen.
    Die Protonen und Neutronen bestehen aus up- und down-Quarks.
    Na, ja, die Elektronen und die up- und down-Quarks, die sind dann eben einfach da.

    Hier folgt Erklärung auf Erklärung, bis am Ende jemand sagt: “Das ist eben so”.

    genau damit gebe ich mich nicht zufrieden.
    Mögen “die da oben”, siehe Einleitung, auch noch so spotten, noch sich so sehr wünschen dass sie niemand stört, sie an ihrer Suppe -ungestört weiterkochen- können, es reicht nicht.
    Es muss eine Erklärung her.
    Und wenn sie hundertmal falsch ist, sie ist immer noch richtiger als garkeine.

    Das Elekrton ist entweder ein BT (Basisteilchen, das kleinste Teilchen das existiert), oder eine Menge ab BT, ich neige zu Letzterem.
    Wissen, nein wissen tue ich es nicht, vermuten schon.
    Und dieses BT ist wiederum nicht das Ende.
    Diese besteht aus einer Menge einer Substanz….
    Den Rest hab ich schon irgendwo -hinterlegt-.

    Der nächste Kandidat ist die Trägheit.
    Sie ist ein Hinweis dass es eine Quantelung gibt.
    Eine ganz bestimmte Quantelung!

    Sie alle zusammengemixt, dazu brauchst halt ein bisserl Phantasie, ergibt ein Bild das wesentlich weiter reicht als nur
    — “Das ist eben so” — “die sind dann eben einfach da” —

    Gruss Kurt

  35. Hallo Kurt,

    Eine falsche Erklärung ist viel schlimmer als gar keine, denn sie wäre reiner Aberglaube.

    Man sollte den Mut haben, zu sagen:

    “Das weiss ich nicht.”

    Auch wenn man die Bausteine der Bausteine der Bausteine der Bausteine der Elektronen finden könnte, dann müsste man noch immer sagen:

    “Die sind dann eben einfach da.”

    Ähnliches würde auch für eine alles erklärende Weltformel gelten.

    Vielleicht geschieht in den unendlich vielen Universen überhaupt alles, was geschehen kann, unendlich oft.

    In einigen dieser Universen ermöglichen die Naturgesetze intelligentes Leben, und diese Universen sind die einzigen beobachtbaren Universen.

    Die vier Ebenen der Paralleluniversen nach Max Tegmark:

    http://space.mit.edu/home/tegmark/crazy.html

    Ein indischer Philosoph hält einen Vortrag über den Aufbau des Universums.

    Nach dem Vortrag kommt eine ältere Dame zu ihm, um ihm ihre Theorie über die Erde zu erklären.

    Die Erde, so sagt sie, ruhe auf einem großen Elefanten.

    Der Philosoph fragt:

    “Und worauf ruht der Elefant?”

    “Auf einem zweiten Elefanten,”

    erwidert die Dame.

    “Und worauf ruht dann dieser Elefant?”

    fragt der Philosoph.

    Daraufhin ruft die Dame triumphierend:

    “Ich weiß, worauf Sie hinauswollen, aber geben Sie sich keine Mühe, es sind Elefanten bis ganz runter!”

    Terry Pratchett sagt:

    “Unter den Elefanten ist eine Wasserschildkröte, und die schwimmt.”

    Die Scheibenwelt von Terry Pratchett:

    http://members.chello.at/….bednarik/SCHEIBEN.jpg

    Die Lebensformen der Scheibenwelt, im unteren Drittel dieser Seite:

    http://www.die-scheibenwelt.de/pratchett-welt.html

    Besonders schön: Uhren bauender Kuckuck, und Reannuelle Pflanzen.

  36. @Ulf Lorenz und Chrys

    Vielen Dank nochmal für die anregende Diskussion. Hat Spass gemacht.

    Entschuldigen Sie, Herr Lorenz, das t. Als Schulz ohne t sollte ich da feinfühliger sein. 😉

    Ich muss auch mittlerweile eingestehen, dass ich Lambs Ablehnung des Photonenbegriffes nicht uneingeschränkt verteidigen kann.

    Seine Argumentation gilt nur in der nichtrelativistischen Näherung. Also wenn alle Teilchengeschwindigkeiten klein gegen Lichtgeschwindigkeit sind. In der Elementarteilchenphysik ist Herrn Lorenz’ Einwand uneingeschränkt gültig. Hier unterscheiden sich Elektronen und Photonen nur unwesentlich.

    Lamb hatte als Zielgruppe ja auch Laserphysiker und Quantenoptiker im Auge. Wenn keine neuen Fragen und Einwände kommen, werde ich das Thema mit allen Diskussionen jetzt so stehen lassen. Ich denke, die Argumente sind so weit ausgetauscht. Das Wort “Photon” lässt sich aus der Fachsprache ohnehin nicht mehr verbannen.

  37. Partikeln und Felder

    Noch als Anmerkung. Die klassische Vorstellung von punkthaften Partikeln ist einer relativistischen QFT generell reichlich unangemessen. Die Forderung nach Lokalisierbarkeit ist dabei ganz ein fundamentales Hindernis, vgl. dazu auch

    T. Lupher. Not Particles, Not Quite Fields: An Ontology for Quantum Field Theory. Humana.Mente, 13, April 2010, 155-173 [PDF download]

  38. Dafür sind Blogs gut!

    Diese Diskusion fand ich spannend, auch wenn ich sie nur teilweise nachvollziehen kann.
    Sie erinnert mich ein wenig an die Anforderungsanalyse bei IT-Projekten. Hier hat man es oft mit Begriffen zu tun, welche von Experten aus unterschiedlichen Bereichen auch unterschiedlich gesehen und verwendet werden. Bewährt hat sich ein dynamischer Glossar, mit dem Versuch die Begriffe so zu definieren, das Experten aus allen Fachbereichen damit leben können. Ziel ist, dass man sich effizient unterhlaten kann und eine verständliche und gleichzeitig ‘saubere’ Spezifikation und Dokumentation möglich ist. Klar ist, dass viele Begriffs-Definitionen nie endgültig sein können. Kommen neue Aspekte hinzu, muss die Definition ggf. modifiziert oder erweitert werden. Das wäre jedenfalls der Idealfall:-)

  39. Begriff Photon

    Mir scheint, dass der Begriff Photon mit unterschiedlichen Bedeutungen verwendet wird: einmal als wechselwirkendes Teilchen und einmal als Zustandsmode eines quantisierten Beschreibung eines Feldes. Aber beschreiben Besetzungszahlen tatsächlich reale Teilchen bzw. deren Anzahl ?

  40. Realität

    Hallo Quarkschleuder,

    Dass ist genau die Frage. Sind Feldanregungen reale Teilchen? In unserer Diskussion hat sich aus meiner Sicht herauskristallisiert, dass man das bejahen muss. Es sei denn man erkennt auch an, dass Elektronen keine realen Teilchen sind. In der relativistischen Quantenmechanik, wie sie in der Hochenergiephysik verwendet werden muss, werden Elektronen ganz analog zu Photonen als Feldangergungen beschrieben. Da gibt es keinen qualitativen Unterschied mehr.

    Was kann man nun machen? Man kann entweder den Teilchenbegriff entsorgen und auf Photonen wie Elektronen verzichten. Oder man verwendet einen quantenmechanischen Teilchenbegriff. Letzteres hat sich in der Physik durchgesetzt. Quantenmechanischen Teilchen fehlen einige Eigenschaften, die wir klassisch vermuten würden. (Zum Beispiel die Erhaltung der Anzahl und die genaue Lokalisierbarkeit.) Sie haben zudem andere Eigenschaften, die wir klassisch nicht erwarten würden. (Interferenz, Verschränkung)

    Wenn man den Photonenbegriff anwendet, muss man vorsichtig sein und nicht versehentlich ein klassischen Bild im Kopf haben. Soviel bleibt von Lambs Kritik.

  41. Hallo Karl

    Eine falsche Erklärung ist viel schlimmer als gar keine, denn sie wäre reiner Aberglaube.

    Man sollte den Mut haben, zu sagen:

    “Das weiss ich nicht.”

    Natürlich ist das eine Möglichkeit, eine sehr bequeme.
    Denn damit zieht man sich aus der Verantwortung zurück.

    Auch wenn man die Bausteine der Bausteine der Bausteine der Bausteine der Elektronen finden könnte, dann müsste man noch immer sagen:

    “Die sind dann eben einfach da.”

    Und schon wäre der Stillstand perfekt, bzw. dem Aberglauben Tür und Tor geöffnet.
    Andersrum.
    “Lieber mal eine falsche Erklärung aus gar keine”!
    Denn eine falsche kann widerlegt werden, garkeine nicht!
    Und in der Widerlegung liegt die Schance näher an die richtige heranzukommen.

    Vielleicht geschieht in den unendlich vielen Universen überhaupt alles, was geschehen kann, unendlich oft.

    Andersrum:
    Vielleicht gibt es viele Universen (ich gehen davon aus), kann sein, muss nicht.
    Und Unendlich oft gibts nicht, denn Unendlich bietet keinen Einstig dass etwas -losgehen- kann.
    Also fällt das flach.

    In einigen dieser Universen ermöglichen die Naturgesetze intelligentes Leben, und diese Universen sind die einzigen beobachtbaren Universen.

    Warum sollte da ein Unterschied sein, warum eine Einschränkung?
    Mir ist nicht verständlich warum gerade diese -bevorzugten- (oder bedauernswerten) Universen beobachtbar sein sollten.

    Gruss Kurt

  42. Hallo Kurt,

    In einigen dieser Universen ermöglichen die Naturgesetze intelligentes Leben, und diese Universen sind die einzigen beobachtbaren Universen.

    Warum sollte da ein Unterschied sein, warum eine Einschränkung?

    Alle Universen sind nur von innen her beobachtbar, und in den meisten Universen befindet sich eben kein intelligenter Beobachter.

    —–

    An der Tatsache, dass wir (noch) nicht genau wissen, wie unser Universum funktioniert, kann man wohl kaum zweifeln.

  43. Einzelne Photonen sind messbar

    Sodale es nennt sich Photonenmultiplier, das Gerät mit dem man einzelne Photonen messen kann. Die empfindlichsten (weil hochauflösend) stehen in Japan und werden unter anderen von Prof. Mitsuo Hiramatsu gebaut. In Berlin steht so ein Teil mit welchem Prof. Popp früher an den Bio-Photonen geforscht und gearbeitet hat und vermutlich wird so ein aktuelles Gerät im nächsten Jahr in Mannheim stehen. Photonen sind nachgewiesene Teilchen, die jedoch keine eigene Masse haben und das macht die Arbeit mit ihnen meist auch so schwierig. Zudem müssen sie auch erst einmal angeregt werden damit man sie messen kann.

    Desweiteren kann man hierzu auch mal den Anton Zeilinger zu Rate ziehen. Vor gar nicht all zu langer Zeit hat dieser Mann die Quantenverschränkung visuell bestätigt und weiterführend durch andere Wissenschaftler wurde die Verschränkung bereits in lebenden Systemen (Pflanzen) und obendrein auch noch bei Raumtemperatur nachgewiesen.

    Soviel mal dazu 🙂

  44. @Misselyn

    Sie werden es nicht glauben, aber ich habe schon in meinem Studium vor über 15 Jahren mit Photomultipliern gearbeitet. Aber danke für Ihren Aufklärungsversuch.

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