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Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Photon ist (ist nicht) Wellenpaket


Maxi
15.09.11, 19:59
Ich möchte eine Frage (für mich ein Problem) in den Raum stellen:

Gibt es einen Unterschied zwischen einem schlichten Photon (Lichtquant) und einem Wellenpaket?

Meinem Gefühl nach müssten beide identisch sein, denn für ein Wellenpaket bedarf es doch ein kontinuierliches Impulsspektrum im Impulsraum von z.B. p1 bis p2, das nach entsprechender Fouriertransformation im Ortsraum einem räumlich begrenzten Wellenpaket entspricht.
Entsteht nun ein Photon z.B. durch einen Energieübergang eines Elektrons von einem angeregten Energieniveau in den Grundzustand einer Atomhülle, so hat es ja auch eine gewisse Energieunschärfe, die mit der mittleren Lebensdauer des angeregten Energiezustandes der "Heisenebergschen Unschärferelation" genügt. Also lässt es sich doch im Ortsraum als "Wellenpaket" bezeichnen. Konsequent anders ausgedrückt: es gibt unter keinen Umständen ein absolut monochromatisches Photon.
Wenn es nun so wäre, weshalb steht dies nicht so eindeutig oder so ähnlich in den Physikbüchern? z.B. nicht in Kuhn PHYSIK, Band III E, Quantenphysik, Westermann Verlag Braunschweig 1976; nicht im Gerthsen Physik von D.Meschede, Springer Verlag Berlin 2004.
Dies muss doch seine Gründe haben und es ist deshalb doch ganz anders?

Ich würde mich jedenfalls freuen, wenn mir jemand auf die Sprünge helfen könnte.

EMI
16.09.11, 03:10
Gibt es einen Unterschied zwischen einem schlichten Photon (Lichtquant) und einem Wellenpaket?Ja, ein Wellenpaket ist instabil, zerfließ schnell, ein Photon nicht das ist stabil.

Maxi
16.09.11, 11:00
Ja, ein Wellenpaket ist instabil, zerfließ schnell, ein Photon nicht das ist stabil.


Danke für diese Richtigstellung -- ein überzeugendes und einleuchtendes Argument, wenn es sich um die Ausbretung des Wellenpakets in einem Medium mit Dispersionserscheinung handelt; aber im Vakuum (und damit näherungsweise auch in Luft, ein nicht all zu seltener Fall) ist die Phasen- und die Gruppengeschwindigkeit jewelis gleich, da zerläuft das Wellenpaket nicht.
Allgemein und generell betrachtet müsste ich natürlich klein beigeben und die Konsequenzen ziehen: ein Photon und ein Wellenpaket sind zwei verschiedene physikalische Erscheinungen(?), Gebild(?), ....
Oder sind sie vielleicht doch nur zwei verschiedene Modelle ein und desselben physikalischen Phänomens, deren Wiedersprüchlichkeit im Welle-Teilchen-Dualismus zu suchen ist?
Der Vorstellung und dem Bild eines absolut monochriomatischen Photons mit einem Impuls ohne Messungenauigkeit bzw. ohne Unschärfe kann ich einfach nichts abgewinnen. Und sobald das Lichtquant im Impulsraum eine Impulsunschärfe (mit kontinuierlichem Spektrum) besitzt, stellt es sich im Ortsraum als "einzelnes Wellenpaket" mit mehr oder weniger großer Ausdehnung dar, das in einem Medium leider auseinanderlaufen muss.

Hawkwind
16.09.11, 14:55
Die Frage ist, was ein Photon ist.
Und das ist keine leichte Frage.

I.a. versteht man das Photon als eine elementare Anregung des elektromagnetischen Feldes mit wohldefinierter Frequenz. Wellenpakete entstehen aber aus der Überlagerung ebener Wellen unterschiedlicher Frequenzen. Demnach kann ein einzelnes Photon kein Wellenpaket sein, da es Beiträge unterschiedlicher Frequenzen erfordern würde.
Scharfe Frequenz bedeutet aber auch scharfen Impuls und scharfe Energie.
Aus der Heisenbergschen Unschärfe würde dann maximale Unschärfe des Ortes folgen. Wie kann man dann überhaupt noch von teilchenartigen Eigenschaften reden?
Ich denke, das hängt auch mir der schwierigen Frage zusammen, ob die quantenmechanische Wellenfunktion für ein Photon überhaupt existiert; in der Theorie gibt es ja keinen hermitischen Ortsoperator für ein Photon.

Wir wissen andererseits von Doppelspaltversuchen mit 1-Photon-Pulsen, dass ein einzelnes Photon mit sich selbst interferieren kann. Mit einer unidirektionalen ebenen Welle bekommt man das nicht hin. Vermutlich macht es doch mehr Sinn, sich ein Photon nicht immer als eine ebene Welle sondern als eine Superposition vorzustellen. Ich glaube, das ist es auch, was du sagen willst.

BTW, warum sollte ein Photon nicht zerlaufen können? Materiewellen tun das auch.

Nun ist sicher niemand schlauer als zuvor, falls mein Beitrag denn überhaupt Sinn macht :)

Bauhof
16.09.11, 18:05
Wir wissen andererseits von Doppelspaltversuchen mit 1-Photon-Pulsen, dass ein einzelnes Photon mit sich selbst interferieren kann.
Hallo Hawkwind,

woraus schließt man, das bei Doppelspaltversuchen mit 1-Photon-Pulsen ein einzelnes Photon mit sich selbst interferieren kann? Wie zeigt sich das?

M.f.G. Eugen Bauhof

amc
16.09.11, 19:23
... woraus schließt man, das bei Doppelspaltversuchen mit 1-Photon-Pulsen ein einzelnes Photon mit sich selbst interferieren kann? Wie zeigt sich das?

Na weil sich auch dann ein Interferenzmuster am Schirm ergibt, wenn man immer nur ein einzelnes Photon auf den (die) Weg(e) durch den Doppelspalt schickt, wartet bis es am Schirm registriert wird, und dann erst das nächste schickt usw... Oder ist was anderes gemeint?

Hawkwind
16.09.11, 20:21
Na weil sich auch dann ein Interferenzmuster am Schirm ergibt, wenn man immer nur ein einzelnes Photon auf den (die) Weg(e) durch den Doppelspalt schickt, wartet bis es am Schirm registriert wird, und dann erst das nächste schickt usw... Oder ist was anderes gemeint?

Du nimmst mir das Wort aus dem Mund. Danke.

EMI
16.09.11, 20:45
...warum sollte ein Photon nicht zerlaufen können?Keine Ahnung Hawkwind,

sie tun es einfach nicht, sonst gäbe es keinen photoelektrischen Effekt.

Gruß EMI

Hawkwind
16.09.11, 21:47
Keine Ahnung Hawkwind,

sie tun es einfach nicht, sonst gäbe es keinen photoelektrischen Effekt.

Gruß EMI

Sehe ich ganz anders: ein Photon muss doch Teilcheneigenschaften haben, wenn es an einem Elektron streut, um ein Atom zu ionisieren. Teilcheneigenschaften bedeuetet aber, dass es eine nicht zu große Ortsunschärfe aufweist, also ein Wellenpaket ist.

EMI
16.09.11, 22:10
Sehe ich ganz anders: ein Photon muss doch Teilcheneigenschaften haben, wenn es an einem Elektron streut, um ein Atom zu ionisieren. Teilcheneigenschaften bedeuetet aber, dass es eine nicht zu große Ortsunschärfe aufweist, also ein Wellenpaket ist.Welches Prinzip steht dahinter Hawkwind?

Wie kann ein Photon ein Wellenpaket sein, wenn diese instabil sind?:confused:
Du verwirrst mich mein Freund.

Gruß EMI

Marco Polo
17.09.11, 01:03
Zu dieser Thematik habe ich folgendes gefunden:

http://www.quantenwelt.de/licht/photonen/

Grüsse, MP

Timm
17.09.11, 09:46
Entsteht nun ein Photon z.B. durch einen Energieübergang eines Elektrons von einem angeregten Energieniveau in den Grundzustand einer Atomhülle, so hat es ja auch eine gewisse Energieunschärfe, die mit der mittleren Lebensdauer des angeregten Energiezustandes der "Heisenebergschen Unschärferelation" genügt. Also lässt es sich doch im Ortsraum als "Wellenpaket" bezeichnen. Konsequent anders ausgedrückt: es gibt unter keinen Umständen ein absolut monochromatisches Photon.
Richtig, wegen der Energie-Zeit-Unschärferelation ist das Photon nicht exakt monochromatisch, sondern es resultiert eine "natürliche Linienbreite". Wie bekannt, besteht das Wesen der Unschärfe nicht in der Unkenntnis des exakten Wertes.

Näheres zum Wellenpaket hier (http://www.joergresag.privat.t-online.de/mybkhtml/chap35.htm
), sowie daraus:
So könnte aus anderen Quantenzuständen Energie auf den betrachteten Zustand übertragen werden, worauf dieser seine Energie dann wieder an andere Quantenzustände abgibt. Beispielsweise können Photonen ihre Energie an ein Atom übertragen und dort einen höheren Energiezustand anregen, der seine Energie dann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit wieder in Form von Photonen abstrahlt, oder es kann aus einem hochenergetischen Elektron-Positron-Paar ein Z-Boson gebildet werden, das anschließend wieder zerfällt. In diesem Sinn entspricht die zeitliche Dauer Δt des Wellenpaketes ungefähr der mittleren Lebensdauer des angeregten Quantenzustandes, und die Energieunschärfe ΔE entspricht der natürlichen Linienbreite einer Spektrallinie oder der Resonanzbreite in einer Teilchen-Erzeugungsrate (siehe auch Kapitel 6.2).


Gruß, Timm

Bauhof
17.09.11, 10:49
Na weil sich auch dann ein Interferenzmuster am Schirm ergibt, wenn man immer nur ein einzelnes Photon auf den (die) Weg(e) durch den Doppelspalt schickt, wartet bis es am Schirm registriert wird, und dann erst das nächste schickt usw... Oder ist was anderes gemeint?
Hallo amc,

Timm schrieb:
[...]wegen der Energie-Zeit-Unschärferelation ist das Photon nicht exakt monochromatisch, sondern es resultiert eine "natürliche Linienbreite". Wie bekannt, besteht das Wesen der Unschärfe nicht in der Unkenntnis des exakten Wertes.

Ist das der Grund, warum Photonen mit sich selbst interferieren?

M.f.G. Eugen Bauhof

Timm
17.09.11, 11:17
Hallo Eugen,

mein Hinweis bezieht sich auf Spektrallinien,

Gruß, Timm

amc
17.09.11, 11:29
Ist das der Grund, warum Photonen mit sich selbst interferieren?

Ich weiß nicht warum. Ich kann nur sagen wie ich die Quantenphysik, speziell das Phänomen der Interferenz verstehe. Zumindest hier am Doppelsspalt - so wie ich es aufgeschnappt und verstanden habe - sind es eigentlich gar nicht die Quantenobjekte selbst die hier interferieren, sondern die Wahrscheinlichkeitswellen der möglichen Wege (welche keine Realität, sondern nur quantenmathematischen Formalismus darstellen), die sie nehmen könnten. Man kann eigentlich gar nicht sagen, das Photon gelangt durch den Doppelspalt, wenn keine Information darüber in der Welt zu finden ist, welchen Weg es genommen hat. Man muss sich wohl vorerst damit abfinden, dass wir nur die Emission des Photons, und die Absorption auf dem Detektorschirm als Teil unserer Wirklichkeit betrachten können. Über das dazwischen können wir mindestens keine Aussagen machen, vielleicht gibt es gar kein dazwischen.

Aber vorsichtig, ich habe nicht wirklich Ahnung, das kann alles nur bedingt richtig sein, und vielleicht auch gar nicht wirklich zum Thema passen.

Hawkwind
17.09.11, 11:34
Welches Prinzip steht dahinter Hawkwind?

Wie kann ein Photon ein Wellenpaket sein, wenn diese instabil sind?:confused:
Du verwirrst mich mein Freund.

Gruß EMI

Unschärfe (=Paketbreite) des Ortserwartungswertes der Wellenfunktion hat doch nichts mit Stabilität und Lebensdauer eines Teilchens zu tun, sondern mit der Wahrscheinlichkeit, wo ich es bei einer Messung nachweisen kann.

"Zerlaufen" des Wellenpaketes bedeutet einfach: "ich weiss nicht mehr so genau, wo das Teilchen ist".

Gruß,
Uli

Bauhof
17.09.11, 11:37
Ich weiß nicht warum. Ich kann nur sagen wie ich die Quantenphysik, speziell das Phänomen der Interferenz verstehe. Zumindest hier am Doppelsspalt - so wie ich es aufgeschnappt und verstanden habe - sind es eigentlich gar nicht die Quantenobjekte selbst die hier interferieren, sondern die Wahrscheinlichkeitswellen der möglichen Wege (welche keine Realität, sondern nur quantenmathematischen Formalismus darstellen), die sie nehmen könnten. Man kann eigentlich gar nicht sagen, das Photon gelangt durch den Doppelspalt, wenn keine Information darüber in der Welt zu finden ist, welchen Weg es genommen hat. Man muss sich wohl vorerst damit abfinden, dass wir nur die Emission des Photons, und die Absorption auf dem Detektorschirm als Teil unserer Wirklichkeit betrachten können. Über das dazwischen können wir mindestens keine Aussagen machen, vielleicht gibt es gar kein dazwischen.
Hallo amc,

da kann ich voll zustimmen.
Die Wahrscheinlichkeitswellen der möglichen Wege interferieren. Ob dazwischen das Photon ("als Ding an sich") mit sich selbst interferiert, darüber gibt es keine Information.

M.f.G. Eugen Bauhof

fossilium
17.09.11, 12:54
Hallo zusammen,

vielleicht kommt man der Frage, was ein Photon ist, näher, wenn man die relativistischen Aspekte berücksichtigt:

Ein Photon ist ja ein physikalisches Objekt, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Aus seiner Innenperspektive heraus gesehen, altert es also nicht. Für das Photon „vergeht“ keine Zeit. Aus sich selbst heraus gesehen, existiert es auch nicht in irgendeinem Zustand, sondern es entsteht und vergeht im gleichen Moment. Aus der Sicht des Photon aus gesehen, erscheint die Welt senkrecht zur Bewegungsrichtung verkürzt, das bedeutet, dass auch der zurückgelegte Weg aus Sicht des Photons Null Ist. Aus Sicht des Photons sind seine Emission und Absorption gleichzeitige Vorgänge, die an ein- und demselben Ort instantan in Raum und Zeit stattfinden. Entstehen und Vergehen sind eins.

Wie sieht das Photon nun aus Sicht eines ruhenden Beobachters aus ? Offenbar kann es aus dieser Sicht eine beliebig lange Lebensdauer haben. Auch der Weg kann durch das ganze Universum sein gehen.

So umweht uns hier und heute mit der kosmischen Hintergrundstrahlung immer noch der Atem des Urknalls.

Jedenfalls kann Lebensdauer und Aufenthaltsort aus der Sicht des ruhenden Beobachters das ganze Universum (die ganze Raumzeit) sein. Die Frage ist doch, ob unter diesen Umständen das Photon überhaupt als physikalisches Objekt mit den Kategorien Teilchen (Substanzfrage) oder Wellen (Trägerfrage) oder Kombinationen daraus beschrieben werden kann.

Ich denke, ein Photon könnte so was wie kondensierte Wirkung sein, aber das ist auch nur ein persönlicher Gedanke. Aber etwas in dieser Richtung. Denn Wirkung wird hier übertragen, dafür steht der Erfolg der Quantenelektrodynamik, wo das Photon ja als Austauschteilchen herhalten muss.

fossilium
17.09.11, 13:08
Hi zusammen,

methaphysische Spekulationen mal beiseite.
Es gibt es noch einen Punkt, der rätselhaft ist, nämlich der Impuls des Photons. Normalerweise hat dieser eine Richtung. Welche Richtung hat der Impuls des Photons ? Gibt es darüber etwas konkretes ?

Grüsse Fossilium

Maxi
17.09.11, 14:18
Nun ist sicher niemand schlauer als zuvor, falls mein Beitrag denn überhaupt Sinn macht :)

Danke Dir und allen, die sich inzwischen zu meiner Fage geäußert haben.
Ich finde, jede Stellungnahme macht auf die eine oder andere Art Sinn, und hoffe, dass sich langsam irgend etwaws gemeinsames herauskritallisiert.
Werde versuchen, alles nachzuvollziehen und das eine und andere nachfragen.
Gruß an alle,
Maxi

Bauhof
17.09.11, 14:20
vielleicht kommt man der Frage, was ein Photon ist, näher, wenn man die relativistischen Aspekte berücksichtigt:

Ein Photon ist ja ein physikalisches Objekt, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Aus seiner Innenperspektive heraus gesehen, altert es also nicht. Für das Photon „vergeht“ keine Zeit. Aus sich selbst heraus gesehen, existiert es auch nicht in irgendeinem Zustand, sondern es entsteht und vergeht im gleichen Moment. Aus der Sicht des Photon aus gesehen, erscheint die Welt senkrecht zur Bewegungsrichtung verkürzt, das bedeutet, dass auch der zurückgelegte Weg aus Sicht des Photons Null Ist. Aus Sicht des Photons sind seine Emission und Absorption gleichzeitige Vorgänge, die an ein- und demselben Ort instantan in Raum und Zeit stattfinden. Entstehen und Vergehen sind eins.
Hallo fossilium,

in der SRT werden die relativistischen Aspekte berücksichtigt. Aber in der SRT gibt es keine "Sicht des Photons", weil es keine lichtschnellen Inertialsysteme gibt.

M.f.G Eugen Bauhof

Jogi
17.09.11, 20:51
Hi Fossi.

Welche Richtung hat der Impuls des Photons ? Gibt es darüber etwas konkretes ?

Wie meinen?

Der Impuls weist selbstverständlich in Bewegungsrichtung.

Bei der Comptonstreuung erfolgt die Ablenkung analog zum elastischen Stoß aus der klassischen Mechanik.

Koppelt ein Photon an ein Elektron (Absorption), addieren sich beider Impulsvektoren auch ganz klassisch zu einem Resultierenden.
Wobei es da nach meinem Dafürhalten keinen signifikanten Winkel zum Zeitpunkt der Absorption geben darf, sonst gibt's eben keine Absorption sondern nur eben wieder die Comptonstreuung.


Gruß Jogi

EMI
18.09.11, 00:36
Bei der Comptonstreuung erfolgt die Ablenkung analog zum elastischen Stoß aus der klassischen Mechanik.Nein Jogi,

eben nicht:

http://www.quanten.de/forum/showpost.php5?p=35940&postcount=42

Gruß EMI

Jogi
18.09.11, 12:20
Hallo EMI.

Es ging mir nicht um die Wellenlängenänderung, sondern um die Ablenkung der Impulsrichtung.


Gruß Jogi

EMI
18.09.11, 13:47
Es ging mir nicht um die Wellenlängenänderung, sondern um die Ablenkung der Impulsrichtung.Hallo Jogi,

die Ablenkung der Impulsrichtung (Streuwinkel Φ) und die Wellenlängenänderung Δλ sind beim Compton-Effekt über die Comptonwellenlänge λc der Streumasse m miteinander verknüpft:

Δλ = λc (1-cosΦ)
Δλ = h/mc (1-cosΦ)

Gruß EMI

Jogi
18.09.11, 14:02
Hi EMI.




die Ablenkung der Impulsrichtung (Streuwinkel Φ) und die Wellenlängenänderung Δλ sind beim Compton-Effekt über die Comptonwellenlänge λc der Streumasse m miteinander verknüpft:

Schon klar.
Fossi's Frage galt der Impulsrichtung, und die weist stets in Bewegungsrichtung des Photons, dem wirst du doch hoffentlich nicht widersprechen?


Gruß Jogi

fossilium
18.09.11, 16:03
Hallo Jogi,
dass der Impuls in Bewegungsrichtung ausgerichtet ist, leuchtet mir auf den ersten Blick ein. Aber wenn dies so wäre, dann würden sich zwei entgegengesetzte Ladungsträger (z.B. Elektron und Proton) beim Photonenaustausch abstossen.
Sie ziehen sich aber an.
Daher kann der Impuls nicht parallel zur Bewegungsrichtung sein.
Grüsse Fossilium

fossilium
18.09.11, 16:16
Hallo Bauhof,
wenn es keine lichtschnellen Intertialsysteme gibt, dann gibt es auch kein Bezugssystem, in dem sich ein Photon befinden könnte. Wie gehen wir mit einem Objekt um, das kein Bezugssystem hat ? Kann es das überhaupt geben ?
Grüsse Fossilium

JoAx
18.09.11, 16:55
Hallo fossilium!


Aber wenn dies so wäre, dann würden sich zwei entgegengesetzte Ladungsträger (z.B. Elektron und Proton) beim Photonenaustausch abstossen.
Sie ziehen sich aber an.


Ich denke, du verwechselst hier etwas. Die Photone, die du hier erwähnst, sind virtuelle raumartige Photone. Die "sorgen" nach der QED für das statische elektrische Feld. Und sie sind nicht mit den "normalen" Photonen zu verwechseln, um die es hier (aber auch an einer anderen Stelle) geht.


Gruß, Johann

fossilium
18.09.11, 17:21
Hi Joax,

worin besteht denn der Unterschied zwischen den Photon-Arten ?
Das ist mir neu, dass es zwei Arten von Photonen gibt.
Sollten es tatsächlich nicht beide das Gleiche sein ?

Grüsse Fossilium

Hawkwind
18.09.11, 17:30
Virtuelle Teilchen sind spontane Fluktuationen eines Quantenfeldes. Reale Teilchen sind Anregungen eines Quantenfeldes mit einer für Beobachtung brauchbaren Beständigkeit. Virtuelle Teilchen sind Transienten, die in unseren Gleichungen erscheinen, nicht aber in Messgeräten. Durch Energiezufuhr können spontane Fluktuationen über einen Schwellwert verstärkt werden, was bewirkt, dass (eigentlich sonst) virtuelle Teilchen zu realen Teilchen werden.


aus
http://de.wikipedia.org/wiki/Virtuelles_Teilchen

Virtuelle Teilchen sind keine physikalischen Teilchen, sondern eine Methode, eine Wechselwirkung zu beschreiben.

Der Impuls eines reellen Photons zeigt in Richtung seines Wellenvektors (=Ausbreitungsrichtung der elem. Welle, =Strömungsrichtung der Energie der Welle).

Maxi
19.09.11, 10:40
Die Quintessenz unserer Diskussion ist somit folgende:
Dazu ein Zitat aus http://www.quantenwelt.de/licht/photonen/
„Die Photonen „erben die Eigenschaften der Elementarwellen: Sie sind unendlich lang und haben eine fest definierte Frequenz und Wellenlänge. Sie haben aber zudem eine feste Energie, die nur von ihrer Frequenz abhängt, und sie tragen auch Impuls und Drehimpuls. Dass die unendlich langen Photonen eine begrenzte Energie haben (damit ist ihre Energiedichte Null) scheint zunächst etwas verwunderlich. Mathematisch wird das gerechnet, indem man den sogenannten Limes (Grenzwert) bildet. Man rechnet also Photonen, die in einem bestimmten Raumbereich „eingesperrt“ sind und denkt sich diesen Bereich immer größer werdend. Dabei zeigt sich, dass die Photonenenergie nicht wächst, wenn man den Raum unendlich groß werden lässt.“
Wenn man sich diesen hier geschilderten Sachverhalt auf der Zunge zergehen lässt, muss man -- so meine ich -- zur Erkenntnis kommen: so kann nur ein THEORETISCHER Pysiker denken und reden. Genau so spielend leicht kann man in der THEORIE z.B. auch die Bedingungen eines Transformators mit dem Wirkungsgrad Eta = 1,0000... definieren, wenn man sich von der Unmöglichkeit der experimentellen Realisierung eines solchen Transformators nicht beeindrucken lässt. Wollte sich etwa in unserem Fall ein EXPERIMENTAL-Physiker (laut obiger Vorgaben) an die Arbeit machen, um nur ein einziges derartiges Photon mit einer fest definierten Frequenz f0 und der geforderten Genauigkeit Delta f = 0,0000... Hz zu realisieren, wäre er unweigerlich zum Scheitern verurteil. Er würde nicht einmal die „noch recht grobe“ Genauigkeit von Delta f = 1,0 mal 10^(-1000000000000)Hz erreichen, geschweige denn Delta f = lim┬(n→∞) 1,0 mal 10^(-n) Hz.
Ein absolut monochromatisches Photon mit absolut scharfem Impuls lässt sich einfach nicht realisieren. Sollte es, ohne erzeugt worden zu sein von sich aus existieren, nützt es uns nichts, da es nicht zu unseren Experimenten gehören.
Über die Fouriertransformation ist ein absolut monochromatisches Photon (im Impulsraum) mit einer unendlich ausgedehnten linearen Welle (im Ortsraum) „gleichzusetzen“. Würde nun ein EXPERIMENTAL-Physiker versuchen, von dieser Seite aus das Problem zu lösen und ein derartiges Photon kreieren wollen, indem er also versucht eine Welle von unendlich langer Ausdehnung zu schaffen, so kann er dies eigentlich nur versuchen, wenn er keine Vorstellung von dem Begriff „unendlich lang“ hat…
Das Ergebnis kann also nur lauten: Streng monochromatische Photonen (wie sie streng nach obiger Theorie definiert sind) existieren schlicht und einfach nicht.
Dies hat zur Folge, dass jedes Photon eine nicht verschwindende Impulsunschärfe Delta p > 0 Ns besitzt und somit einem Wellenpaket gleichzusetzen ist --- und dies mit allen Konsequenzen.
Das soll genügen -- in der Hoffnung -- dass mir niemand mehr widerspricht.

Dank und Gruß an alle, Maxi

JoAx
19.09.11, 11:33
Hallo Maxi!


Wenn man sich diesen hier geschilderten Sachverhalt auf der Zunge zergehen lässt, muss man -- so meine ich -- zur Erkenntnis kommen: so kann nur ein THEORETISCHER Pysiker denken und reden.


Ich verstehe echt nicht, was diese hin und wieder vorkommende Anfeindungen gegen theoretische Physik überhaupt sollen!? :confused:
Dir ist schon klar, dass auch Newton ein theoretischer Physiker war?
Dir ist schon klar, dass ohne theoretischer Physik schlicht nix laufen würde?
Hast du auch das gelesen, was ein paar Zeilen vor deinem Zitat steht?

Elementarwellen

Der erste Schritt, reales Licht mathematisch zu beschreiben ist die Zerlegung des Lichts in Elementarwellen. Reales Licht besteht immer aus verschiedenen Wellenlängen, die in einem Glasprisma in die Farben des Regenbogens zerlegt werden können. Eine ähnliche Zerlegung einer Welle ist auch mathematisch möglich. Eine beliebige Welle kann in unendlich viele Elementarwellen zerlegt werden, deren Überlagerung wieder die ursprüngliche Welle ergibt. Eine Elementarwelle ist nur ein Denkmodell, das mathematisch beschrieben werden kann. Sie ist unendlich lang und hat eine exakt definierte Wellenlänge. Obwohl Elementarwellen tatsächlich unendlich lang sind und somit keine realen Wellen bescheiben können, kann man mathematisch Überlagerungen definieren, die endlich lange Wellenzüge beschreiben.

(Hervorhebungen von mir.)

Hier wird ganz klar und deutlich ausgedrückt, dass eine Elementarwelle nur ein Denkmodell ist. Dass eine reale Welle immer als Überlagerung mehrerer Elementarwellen beschrieben (= auch Denkmodell) werden kann, bzw. muss. Damit ist auch ganz klar und deutlich ausgedrückt, dass kein Experimentalphysiker je imstande sein dürfte, so eine Elementarwelle zu erzeugen. Was sie/er auch nicht versuchen wird zu tun. (Es sei denn, er kann nicht lesen, wovon ich, ausdrücklich, nicht ausgehe.)


Das Ergebnis kann also nur lauten: Streng monochromatische Photonen (wie sie streng nach obiger Theorie definiert sind) existieren schlicht und einfach nicht.


Das Ergebnis kann also nur lauten: Strenggenommen ist auch ein Photon nur ein abstraktes Denkmodell. So, wie wohl alles in der Physik. Dies hat zur Folge, dass jeglicher Versuch, die theoretischen Modelle exakt/wörtlich auf die Realität zu übertragen, womit auch Aussagen wie etwa - "Photon ist ein Wellenpaket" - gemeint sind, zum Scheitern verurteilt sind. Denn schon die grundlegendsten Begriffe der Physik, wie Kraft, Energie, Impuls, etc. - sind Abstraktionen. (Das müsste man imho schon in den Schulen lehren.)

Und beenden möchte ich selbstverständlich mit nichts geringerem, als diesem Zitat hier:


Das soll genügen -- in der Hoffnung -- dass mir niemand mehr widerspricht.

:p :o

Gruß, Johann

fossilium
19.09.11, 12:07
Hi Hawkind,

vielen Dank für Deine Hinweise. Ich hab dennoch noch eine Frage: kann man virtuelle Teilchen als real ansehen, oder sind sie nur gedachte Teilchen, sozusagen eine Interpretation der matematischen Formeln ? Du führst das Zitat an:
"Durch Energiezufuhr können spontane Fluktuationen über einen Schwellwert verstärkt werden, was bewirkt, dass (eigentlich sonst) virtuelle Teilchen zu realen Teilchen werden."
Wie kann denn eine solche Energiezufuhr aussehen, sie muss doch an einem realen Prozess angreifen, etwas fiktivem kann ich dock keine Energie zuführen. Oder ist die physikalische Interpretation von fiktiven Teilchen (noch) nicht wirklich möglich, praktisch ein vorläufiges Modell ? Mindestens müsste das Modell doch eine Antwort darauf geben, warum das System Proton / Elektron so stabil ist, obwohl sich die Teile anziehen. Leistet es das ?
Kann ich irgendwo Detaillierteres adrüber nachlesen ?
Sorry für die hartnäckige Nachfrage - ich bin wirklich interessiert, mir das klar zu machen, auch durch Eigenstudium - aber wo ?
Grüysse Fossilium

Hawkwind
19.09.11, 12:33
Hi Hawkind,

vielen Dank für Deine Hinweise. Ich hab dennoch noch eine Frage: kann man virtuelle Teilchen als real ansehen,


Sie sind Teil eines Modells, mit dessen Hilfe man Feynmandiagramme konstruieren und Übergangswahrscheinlichkeiten für Prozesse berechnen kann.
Man sollte sie nicht mit realen (die Physiker sagen "reellen") Teilchen verwechseln.


"Durch Energiezufuhr können spontane Fluktuationen über einen Schwellwert verstärkt werden, was bewirkt, dass (eigentlich sonst) virtuelle Teilchen zu realen Teilchen werden."
Wie kann denn eine solche Energiezufuhr aussehen, sie muss doch an einem realen Prozess angreifen,


Denk z.B. an die schwache Wechselwirkung; dort spielen die schweren W- und Z-Bosonen dieselbe Rolle wie die Photonen für die elektromagnetische Wechselwirkung. Schiesst du 2 Teilchen aufeinander, die miteinander schwach wechselwirken, so kann man diese Prozesse theoretisch durch den Austausch virtueller W-Bosonen beschreiben, die einen winzigen Moment "aufflackern", aber sogleich in die Endprodukte der Wechselwirkung übergehen. Ein anderes Beispiel für virtuelle W-Bosonen sind die diversen Betazerfälle. Erhöht man bei diesen Kollisionsexperimenten nun die kinetischen Energien der aufeinandergeschossenen Teilchen immer mehr, so wird man irgendwann die Schwelle der Masse des W-Bosons überschreiten; ab solchen Energien kann das Boson nun reell werden und auch experimentell nachgewiesen werden.





Mindestens müsste das Modell doch eine Antwort darauf geben, warum das System Proton / Elektron so stabil ist, obwohl sich die Teile anziehen. Leistet es das ?


Das leistet bereits schon die Schrödingergleichung; das System Proton/Elektron bezeichnet man als Wasserstoffatom. Dessen stabilen Orbitale kann die Quantenmechanik schon lange als stationäre Zustände vorhersagen; dieses System war sozusagen die Feuertaufe der Quantenmechanik.
In der klassischen Mechanik bilden Sonne und Erde ja auch ein stabiles System, obwohl sie sich anziehen ("Keplerproblem").

richy
19.09.11, 13:29
Hi Joax
Die Maxwellgleichungen sind nur ein Denkmodell ? Du meintest sicherlich die Photonen. Welchen Impuls hat eigentlich das Photon eines Kugelwellenpakets ? Zu Maxis berechtigtem Einwand. Es ist ja nicht so, dass die F-Transformierte eines Wellenpaketes nicht existiert. Es stellt einen gefensterten Sinus dar, dessen FT die Sinus Cardinalis Funktion sin(wt)/wt darstellt. Das hatten wir schon beim Spaltversuch hier hergeleitet :
http://www.quanten.de/forum/showthread.php5?t=1102&page=35&highlight=Sinus+Cardinalis
Da ist PSI die FT der Spaltgeometrie und eine sinc Funktion. Es muessten somit bei einem Wellenpaket immer ein Gemisch unendlich vieler Photonen vorliegen. Wenn man konjungierte Groessen in eine Beziehung setzt erhaelt man aus mathematischen Gruenden immer eine Unschaerfe. Auf folgendes wolte ich schon oefters hinweisen : Letztendlich ist der Begriff der "Frequenz" ein Denkprodukt. Zeit und Frequenz koennen nicht gleichzeitig als physikalische Groessen in einem physiklaischen Raum existieren. Es sind Beschreibungen eines einzigen Sachverhalts mittels zweier Methoden. Dass dies meist unkritisch vermischt wird liegt letztendlich an unseren Sinnesorganen, insbesonders dem Gehoer. Das fuehrt eine FT durch und unser Sinneseindruck des Hoerens basiert vornehmlich auf Frequenzen. Der Mensch waere wahrscheinlich nie auf die Idee gekommen Integraltransformationen herzuleiten wenn seine Sinnesorgane nicht ueber diese funktionieren wuerden. Wir meinen daher Frequenzen waeren real und gehoeren zu unserer zeitlichen Beschreibung der Welt. Das ist ein Trugschluss. Und wenn man beides wie bei der Unschaerferelation einer gemeinsamen Realitaet zuordnet darf man sich natuerlich nicht wundern.
Der Hoersinn (der groesstenteils aus Mustererkennungsalgorithmen besteht) ist nun sogar in der Lage beide Beschreibungsformen zu verwenden. Zeitliche Verlaufe in Form von Huellenkurven als auch Frequenzen. Obwohl der Mensch meint zwischen Zeit und Frequenz unterscheiden zu koennen unterliegt er hier Sinnetaeuschungen, die den Taeuschungen der QM sehr aehneln. Ein Paradebeispiel dafuer ist die Schwebung und das damit verbundene Residualhoeren, das schon immer von Orgelnbauern als praktische Anwendung verwendet wurde. So wird wird eine Schwebung :
sin(w1*t)+sin(w2*t)=2*sin((w1+w2))/2*t)*cos((w1-w2))/2*t)
je nach der Groessenordnung von w1 und w2 in zweierlei Form wahrgenommen :
(Hier nochmals mit x und y dargestellt )

http://upload.wikimedia.org/math/1/a/1/1a1efcf0ea1069fbacda5000eddcee66.png

In einigen Faellen hoert man die linke Seite und in einigen Faellen die Frequenzen (w1+w2)/2 sowie (w1-w2)/2 die im Sinne der FT physikalisch nicht existieren. Genausowenig wie die Periodendauern der Huellenkurve. Ein Spektralanalyser wuerde dementsprechend auch nur die Frequenzen w1 und w2 anzeigen. Anhand der FT und dem Faltungsintegral kann man sich das Zustandekommen von (w1+-w2) sehr schoen erklaeren. Man sieht aber auch im Zeitbereich was hier geschieht. Sie Summe stellt auch ein amplitudenmoduliertes Signal dar und nun tritt die Sinnestaeuschung des Gehoers auf, dass die virtuellen Frequenzen w1+-w2, die Huellenkurven als Frequenzen interpretieren. Wie bei der Quantenmechanik werden hier Zeitbereich und Frequenzbereich einem gemeinsamen Beschreibungssystem zugeordnet und es entstehen Artefakte die nun mal gar nicht existieren. Bei einem Quintabstand z.B. eine virtuellle Suboktav, die den Orgelnbauern lange Pfeifen erspart. Selbst als geuebter Musiker ist man dieser Sinnestaeuschung, dem Verwechseln von Frequenz und Zeitbereich unterlegen. Zeit und Frequenz beschreiben ein Phaenomen. Es gibt keinen besseren Versuch als die Schwebung um dies zu verdeutlichen, wenn man die linke und rechte Seite des obigen Additionstheorems verstanden hat. Tritt somit in einer physikalischen Gleichung der Audruck w oder f alleine auf, so sollten alle Groessen zum selben Beschreibungsbereich gehoeren. E=h*f. Was stellt denn dieses f dar ? Das gehoert zu dem Ausdruck sin(2*Pi*f*t). Und in der Regel betrachten wir zeitliche und oertliche Verlaeufe als das reale physikalische Beschreibungssystem. Energie gehoert somit zu der Frequenzbeschreibung. Ein Musiker wuerde dem vielleicht widersprechen und meinen, dass die Frequenzeindruecke eines Musikstueckes real sind. Das kann man tun, aber auch der Musiker wird einen zeitlichen Tagesablauf einhalten und so sind Musikstuecke nichts weiter als eine Zeitfunktion einer physikalischen Groesse. (Schalldruck, Spannung).
Groessen beider Beschreibungsformen kann man natuerlich in ein Verhaeltnis setzen. Aber dann wird man immer zum Teil lediglich die mathematischen Eigenschaften der Fouriertransformation zum Ausdruck bringen. Und ist das eine als real definiert, dann ist das andere "nur gedacht" oder umgekehrt. Wobei "anders beschrieben" ein besserer Ausdruck als "gedacht" waere. Naja es soll Leute geben die meinen es gaebe auch den Fall, dass es "nur gedacht" gibt. Ein Mathematiker wuerde nicht auf die Idee kommen eine Seite der Fouriertransformation einfach zu streichen.
Es gibt ueberhaupt keinen Grund eine der beiden Seiten zu streichen. Lediglich jenen, den unbequemen Fragen, die durch Nichtlokalitaet der QM gestellt werden, durch Streichen der physikalischen Realitaet vor der Dekohaerenz aus dem Wege zu gehen. Das ist alles.
Photon und Wellenpaket sind logischerweise ebenso zwei duale Beschreibungsformen.
Gruesse

JoAx
19.09.11, 13:59
Welcome back, richy! :)


Die Maxwellgleichungen sind nur ein Denkmodell ?


Was beschreiben denn die Maxwell-Gleichungen?
Das Verhalten von elektrischen und magnetischen Feldern. Sind Felder nicht auch - Denkmodelle?
Was ist die el. Ladung genau?
Was ist ein elektrisches Feld genau?
...
Zeichen in den Gleichungen? - Ja. Wohl definierte Zeichen in den Gleichungen.


Du meintest sicherlich die Photonen.


Die auch. Eben - auch.


Welchen Impuls hat eigentlich das Photon eines Kugelwellenpakets ?


Meinst du einer Kugelwelle?
:confused:
Irgend einen, denke ich. :D


Gruß, Johann

Hawkwind
19.09.11, 14:38
Hi Joax
Die Maxwellgleichungen sind nur ein Denkmodell ? Du meintest sicherlich die Photonen. Welchen Impuls hat eigentlich das Photon eines Kugelwellenpakets ?
Gruesse

einen unbekannten ... :)
Zumindest wäre die Richtung seines Impulses völlig unscharf, falls es so etwas überhaupt gibt?

Ich bezweifel aber, dass "in der Praxis" ein einzelnes Photon eine Kugelwelle sein kann. Dieses Photon muss ja irgendwo her kommen, z.B. von einem angeregten Atom, das in einen energetische günstigeren Zustand zurückfällt. Das Atom erfährt dabei einen Rückstoß wegen Impulserhaltung und den inversen Impuls erfährt das Photon; es schaut also nicht so aus, als könne es einen Zustand mit völlig unscharfer Impulsrichtung annehmen. Der Impuls so eines Quants wird i.d.R. also wohldefiniert sein: Kugelwellen in der Optik werden durch die kontinuierliche Abstrahlung sehr vieler Photonen in diverse Richtungen erzeugt.

richy
19.09.11, 17:35
Das Verhalten von elektrischen und magnetischen Feldern. Sind Felder nicht auch - Denkmodelle
Jedliche Beschreibung ist Denkmodell. Wir koennen nur beschreiben und dazu vieleicht noch intuitiv denken. Die Frage ist, wie die Dinge die beschrieben werden zu klasifizieren sind. Am einfachsten ist die Beschreibung selbst. Die ist unwaegbar, abstrakt. Bei den elektrischen Feldern hatte ich mit Uli schon eine Diskussion, denn man koennte versucht sein diese als rein abstrakt zu betrachten. Unwaegbar. Das sind sie aber nicht. Also sind sie physikalisch. Man muss den physikalischen Bereich eben noch weiter klassifizieren, einteilen.

Die auch. Eben - auch.
Das ist in gewissem Sinn "Geschmackssache". Ich meine das Schwebungsbeispiel (zu dem ich gerne ein mp3 File reinstelle) ist hier eine ideale Versanschaulichung. Es gibt hier ganz einfach mehrere Beschreibungsformen. Auch unsere Sinnenorgane fuehren eine Beschreibung durch. Die Residualfrequenzen der Schwebung zeigen dies ganz drastisch. Aufgrund solcher Sinnestaeuschungen, dem Vermischen zweier Beschreibungsformen nun aber zu schliessen, dass es ueberhaupt nichts objektiv beschreibbares gibt waere aber ein Trugschluss. Ich wuesste jedenfalls nicht wie man dies rechtfertigen koennte. Ich betrachte die Raumzeit der ART als Grundgroesse einer Realitaet. Auf der anderen Seite wuerde ich Musik, Frequenzen nicht als irreal betrachten. Frequenzen gehoeren zu einer anderen Form der Beschreibung der Realitaet. Und dass der Spektralanalyzer die Schwebungen nicht anzeigt ist kein Beweis, dass nur die zeitlichen Beschreibungen als Realitaet zu verstehen sind. Denn der Analyzer wurde ja unter einem bestimmten Konstruktionsprinzip konstruiert. Naemlich dem der FT. Dennoch wird man auch ohne ART sagen : Das oertliche , zeitliche ist das fundamentale physikalische Faktum. Und z.B. die Frequenz eine eher subjektive, abstraktere Beschreibung. Aber aufgepasst. Durch diese Beschreibung wird das Beschriebene keinesfalls selbst abstrakter ! Die Maxwellgleichungen sind beschreibungen im Zeitbereich. In sin(w*t) kommt zwar die Kreisfrequenz als Konstante vor, es ist aber eine Beschreibung im Zeitbereich. Ueber diese Funktion sin() kann man nachdenken. Die ist naemlich idealisiert. Von unendlich langer Dauer. Ubd bleiben wir bei der Musik. Dann wird aus Maxis Einwand ein schoener Vergleich. Die EM Welle ist dasr einfache physikalische Phaenomen im Zeitbereich. Und das Photon entspricht dann einem wahrgenommenen Ton im Frequenzbereich. Das Photon ist wie ein Ton in der Musik. Und natuerlich unterliegen alle Toene in der Musik ebenfalls der Unscharfe. Dennoch existieren sie. Haengt auch von der Integrationszeit ab. Dazu gibt es schoen Beispiel im Netz.

Zumindest wäre die Richtung seines Impulses völlig unscharf, falls es so etwas überhaupt gibt?
Also ich weiss es ehrlich gesagt auch nicht genau. Eine Welle ist ein ganzheitliches Phaenomen *fg Ich meine klar ist. Der Gesamtimpuls einer Kugelwelle ist gleich Null. Dann darf so ein Kugelwellenphoton aber gar nicht existieren. Unschaerfe ? Ist meiner meinung nach keine gute Ausdrucksweise. Unbestimmt ist viel besser. Aber ein unbestimmtes Photon ? Wenn man eine Kugelwelle konvergieren laesst, so funktionieren z.B. einige Lithotrypter, dann ist im Zentrum der Impuls gleich null. Der Impuls reicht fuer eine Beschreibung somit auch alleine gar nicht aus. Man benoetigt wohl noch das Geschwindigkeitspotential. Im Zentrum solch einer konvergierenden Kugelwelle werden die Feldgroesssen bei einer Schallwelle uebrigends differenziert und wenn das Teil wieder divergiert hat sich der Schalldruck invertiert. Aufgrund der Differentation und Integration entsteht dann uebrigends noch ein langwelliger Anteil. Die Kugelwelle wird ueber Dispersion im Zentrum zerlegt und wieder zusammengebastelt, weil je nach Frequenz die verschiedenen Anteile um das Zentrum gebeugt werden. Je nach Wellenlaenge in verschiedenem Abstand / Radius vom Zentrum entfernt. Das wird auch alles im Versuch beobachtet.
Kennst du einen entsprechenden Versuch mit EM Wellen ? Das waere ja hochinteressant was hier passiert. Ich meine eine konvergierende Kugelwelle zu erzeugen waere mit kugelfoermig angeordneten Lasern schon moeglich.
So wie du es auch erwaehnt hast. Waere die Welle dennoch kohaerent ?
Was passiert dann wenn die tatsaechlich nur noch einzelne Photonen senden ? Mit einer konvergierenden PSI Welle ? Gibt es hierzu Versuche ?

Gruesse

richy
19.09.11, 17:37
@Joax
OT Beweisphoto :
http://home.arcor.de/richardon/2011/cache.jpg

Ansonsten. Es waere schon interessant wenigstens mal zu berechnen was denn mit so einer konvergierenden PSI Welle rein rechnerisch passiert. Existiert ein dPSI/dt und was stellt dieses dar ?
Konvergierende Kugellwelle=Kugelwelle die wie ein Luftballon schrumft dessen Luft abgelassen wird.

richy
19.09.11, 17:49
Zu Dispersion noch etwas.
Meines Wissens ist Dispersion immer mit Daempfung verbunden. Man kann das an der PDE zeigen. Zum Beisipiel am Differentialoperator. Treten hier irgendwelche nichtlineare Terme auf, so ergibt sich Dispersion. Die Ableitung nach der Frequenz im Frequenzberich des Differentialoperators ist geich der Gruppengeschwindigkeit. Bespiel D()=jw. d|jw|/dw=1. Keine Dispersion. Im Vakuum breitet sich ein Wellenpaket ungedaempft aus. Daher gibt es auch kein Grund fuer Dispersion. Bei der SLG ist das anders. Das ist ja nicht wirklich eine lineare Wellen oder Transportgleichung. Die scheint mir immer dispersiv.
Das waere uebrigends ein Widerspruch zur EM Welle. Die SGL eines Photons muesste linear sein.
Na stopp einen Ausweg gbt es noch.
Eine Solitonengleichung ist auch nicht dispersv. Elisabeth Rauscher und so :-)

Hawkwind
19.09.11, 17:53
...Mit einer konvergierenden PSI Welle ?

Gruesse

Was ist denn eine konvergierende PSI Welle? :)
Klingt so nach Parapsychologie.


Gibt es hierzu Versuche ?


Kenne mich mit "PSI Wellen" und Versuchen dazu nicht so aus.
Die Versuche der Parapsychologen haben meines Wissens das Manko, dass sie nicht reproduzierbar sind.

Gruß,
Hawkwind

Maxi
19.09.11, 18:42
Hallo Johann,
Verzeihung, aber wollen wir das Kriegsbeil nicht doch lieber wieder vergraben? – oder glaubst Du allen Ernstes, ich hätte die Theoretiker oder gar Newton mit meiner flachsigen Bemerkung herabsetzen wollen? Wird jedenfalls nicht wieder vorkommen. Dennoch möchte ich mich hiermit bei allen PHYSIKERN, die sich dadurch gekränkt fühlen, entschuldigen.
Das Ergebnis kann also nur lauten: Strenggenommen ist auch ein Photon nur ein abstraktes Denkmodell. So, wie wohl alles in der Physik. Dies hat zur Folge, dass jeglicher Versuch, die theoretischen Modelle exakt/wörtlich auf die Realität zu übertragen, womit auch Aussagen wie etwa - "Photon ist ein Wellenpaket" - gemeint sind, zum Scheitern verurteilt sind. Denn schon die grundlegendsten Begriffe der Physik, wie Kraft, Energie, Impuls, etc. - sind Abstraktionen. (Das müsste man imho schon in den Schulen lehren.)

Natürlich ist jeder Begriff in der Physik nur eine Abstraktion, sei er nun der Alltagsprache entliehen oder eine frei erfundene Buchstabenkombination, das sehe ich auch so. Doch kann man bei den Begriffen Kraft, Energie, Impuls ... (allein schon aufgrund der Formeln und beigefügten Erklärungen) eine sinnvolle Vorstellung gewinnen.
Beim Begriff des Photons hingegen taucht ein Problem auf, dazu zwei Aussagen:
"Ein Photon hat (prinzipiell) eine feste Frequenz" und "Ein Photon hat eine Energieunschärfe". Sicher, beide Aussagen sind unterschiedlichen Texten entnommen; dennoch die Frage: Steht dieser Begriff "Photon" in beiden Sätzen für die Abstraktionen ein und derselben physikalischen Gegebenheit, oder sind sie Abstraktionen unterschiedlicher Dinge bzw. Sachverhalte, wofür eventuell (zu deren Unterscheidung) unterschiedliche Begriffe erfunden werden könnten (sollten)?
Oder verstehe ich etwas grundsätzlich falsch?
Gruß, Maxi

richy
19.09.11, 19:08
Was ist denn eine konvergierende PSI Welle?


In der Quantenmechanik bezeichnet Ψ eine Wellenfunktion.
Klingt so nach Parapsychologie.
Nur wenn man den Realismus ueber Bord schmeisst. Dann wird das halt zu einer "nur gedacht" oder Informationswelle.
BTW : An anderer Stelle wurde hier von Wechselwirkungen gesprochen. Das ist bei Informationswellen nicht der Faktor der zur Dekohaerenz fuehrt. Alleine die Information genuegt "angeblich". Also wenn ein Teilchen sich z.B. durch eine ausgesendete EM Welle "verraten" koennte. Die EM Welle muss dabei nicht wechselwirken. Das ist ja der entscheidende Unterschied zu realistischen Deutungen. Ich frag mich nur wie Anton Zeilinger den Unterschied jemals konkret zeigen koennte. Denn jede Information ist letztendlich an einen Informationstraeger gebunden . Im C70 Exoeriment an die ausgesendete EM Welle. Und wenn man Zeilingers Aussagen verfolgt und insbesonders die WIKI Eintraege zum Begriff "Information" kann man erraten, wie sich das ganze zukuenftig entwickeln wird.

Das hier ist eine "Wellen"gleichung fuer die Variable PSI : (Nicht wirklich eine Welle, lediglich eventuel hyperbolisch)

http://www.quanten.de/forum/images/misc/quanten_header.jpg

Die korrekte Bezeichnung ist somit PSI Welle. Es existiert auch eine Wahrscheinlichkeitswelle, die ist aber wie ich wohl nicht erlaeutern muss das Betragsquadrat von PSI. Ebenso spricht man von einer EM Welle und nicht von einer Pointingvektorwelle. Letzendlich will ich dennoch das |PSI|^2 von PSI-Wellen betrachten. Der Ausdruck Wahrscheinlichkeitswellen ist mir auch einfach zu lang. Und konkret eine konvergierende |PSI|^2 Kugelwelle.

richy
19.09.11, 19:24
Es darf auch nur Herr Zeilinger den Ausdruck "naiver Realismus" verwenden. Ich nenne das mal "einfacher Realsimus". Und wenn wir obige Gleichung schon mal parat haben, dann sieht man, dass hier nicht der Nabla Operator wie in einer Transportgleichung auftritt, sondern der Laplace Operator. Also die zweite Ableitung. Na und dann wuerde ich mal abschaetzen dass diese |PSI|^2 Welle dispersiv ist. Die Gruppengeschwindigkeit faellt Pi mal daumen linear mit der Frequenz. Die Welle muss zerfliesssen. Und das scheint ja einer der Gruende warum der einfache Realismus auf jeden Fall nicht zutreffend sein kann.
Wobei ich nicht verstehe warum diese Wahrscheinlichkeit im Gehirn, wessen Gehirn das auch immer sein mag, dass des Beobachters oder das der ganzen Natur, nun nicht zerfliessen soll :-) Und warum hier eine Zeitabhaengigkeit angenommen wird konnte mir auch noch niemand so recht erklaeren. Es gibt ja vor der Messung fuer PSI keinen geordneten Zeitablauf, wie auch Herr Zeh sehr schoen feststellt.

D.h. ueber die Gleichungen von Prof.Elisabeth Rauscher, die dem Twistorenansatz von Penrose recht aehnlich ist, kann man beides erklaeren. Und wenigstens bezueglich der Dispersion gibt es weitere anerkannte Personen, die diese ueber Solitonenloesungen erklaeren. Ist sogar ein recht anerkannter moderner Forschungsbereich. (Solitonen in Wellenleitern) Allerdings hat Prof. E Rauscher die meisten ihrer Veroeffentichungen wieder vom Netz genommen.
Warum kann man sicherlich sehr gut nachvollziehen.

Obige Gleichung analytisch fuer eine konvergierende Welle zu Loesen muesste schon machbar sein aber nicht ganz einfach. Das waere interessant. Eine Simulation recht einfach.

Hawkwind
19.09.11, 20:02
Das hier ist eine "Wellen"gleichung fuer die Variable PSI : (Nicht wirklich eine Welle, lediglich eventuel hyperbolisch)

http://www.quanten.de/forum/images/misc/quanten_header.jpg

Die korrekte Bezeichnung ist somit PSI Welle.


Verstehe. Wenn ich die Variable Phi verwende, dann ist es halt eine Phi-Welle und jeder weiss gleich bescheid.

richy
21.09.11, 17:21
In der Mathematik ist Phi/PHI der goldene Schnitt und Psi der goldene Winkel.
Aber es benoetigt wohl nur wenig Phantasie warum einige Groessen in der Psychologie mit Psi bezeichnet werden. Die Physik wird sich davon distanzieren, aber dass man deswegen gleich eines der wichtigsten Symbole aus dem "Grundwortschatz" der Physiker streicht war mir nicht bewusst. Die Zuordnung von Psi oder |PSI|^2 zum abstrakten Breich in der Kopenhagener Deutung lag ja auch im Interesse der Physiker. Bis das Dekohaerenzprogramm keine exakte Trennung mehr zulies.
Dieses Bild hier interpretiere ich uebrigends nicht als Darstellung eines Kriegsschauplatzes zwischen Realisten und der Kopenhagener Deutung :

http://home.arcor.de/richardon/2011/s_katze.jpg

Das Bild stellt die strikte Trennung zwischen Quantenwelt und makroskopischer Welt dar, die vor dem Dekohaerenzprogramm noch bestand.
Die Katze duerfte wohl Schroedinger gehoeren. Diese Katze war eine humoristische, ironische Einlage Schroedingers, der ja eine realistische Linie vertrat. Genauso wie Bertelmanns Socken eine humoristische Einlage von Bell war, der eine realistische Linie vertrat.

Die Schranke repraesentiert den Heisenbergschnitt oder den Wellenkollaps. Ein gewisser Prof. Zeh hat diese Schranke geoeffnet und es stellt sich jetzt natuerlich die Frage wie man die Geister die man rief und die die Schranke einst im Zaume hielt nun wieder loswird oder ein entsprechendes Plaetzchen in der Physik fuer diese findet. Prof Zeilinger macht das aber sehr gut. (ohne Ironie)

Gruesse

Maxi
22.09.11, 17:48
Zitat von Hawkwind

...warum sollte ein Photon nicht zerlaufen können?



Keine Ahnung Hawkwind,

sie tun es einfach nicht, sonst gäbe es keinen photoelektrischen Effekt.

Gruß EMI


Hallo EMI,

weshalb sollte es keinen Photoeffekt geben, wenn das Photon (als Wellenpaket gedacht) im Medium zerlaufen würde?
Ich finde, das müsste nicht das Ende des Photoeffekts sein!

In welchen Substanzen tritt dieser Effekt den hauptsächlich auf?

Es sind die Metalle.

Spielt sich dieser Effekt nun im Inneren der Metalle, oder in unmittelbare Nähe der Oberfläche ab?

Da Licht und damit die Lichtquanten kaum die Möglichkeit besitzen, Metalle zu durchdringen, bleit den Photonen praktisch gar nichts anderes übrig, als ihr Werk unmittelbar an (unter) der Oberfläche zu vollbringen. Auch die Einsteinformel deutet diesen Sachverhalt an, die die maximale kinetische Energie widergibt, mit der die emittierten Elektronen die Metalloberfläche verlassen: Ekin,max = h*f – Wo. Die Austrittsarbeit könnte nicht mit dieser Exaktheit mit Hilfe dieser Formel bestimmt werden, wenn die Photoelektronen im Metallinneren entstünden und somit von ihrer kinetischen Energie auch noch die Reibungsenergien abgezogen werden müsste. Sie würden die Oberfläche kaum erreichen und das Metall niemals verlassen können …
Wenn also Metall mit Photonen hinreichender Energie beschossen wird, müssen die Photonen zunächst den Abstand von der Lichtquelle zum Metall überbrücken. Da dieser Weg lediglich durch den Luftraum führt, haben die Photonen keine Veranlassung zu „zerlaufen“. Sobald sie die Oberfläche des Metalls überwunden haben, müssen sie sich sofort entscheiden, ob sie (von ihrer Energie abhängig) einen äußeren Photoeffekt, inneren Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarerzeugung, Phononen-Erzeugung oder einen anderen Weg finden, um ihre Energie los zu werden. Auf alle Fälle, sobald sie sich entschieden haben im Metall zu bleiben und nicht reflektiert zu werden, müssen sie die Energie- und Impulserhaltung erfüllen. Zeit zum Zerlaufen haben sie jedenfalls nicht und schon sind sie nicht mehr vorhanden.
Somit sehe ich für den Photoeffekt keine Probleme.

Völlig anders ist es natürlich, wenn Photonen auf durchsichtiges Material, z.B. auf Glas treffen. Und wenn das Glas nun auch noch relativ dick ist, dann haben sie natürlich keine Chance: sie müssen zerlaufen. Es wäre interessant mal explizit zu berechnen, welchen Weg ein solches Quant in Glas (mit der Brechzahl n = 1,5) zurücklegen muss, um das Wellenpaket (falls es denn eines wäre) auf die doppelte Länge anwachsen zu lassen. Gut, sie zerlaufen; aber das wäre doch eigentlich keine Katastrophe. Bei schrägem Einfall zerlegt sich das Licht (siehe Prisma) ja tatsächlich (aus demselben Grund: der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der einzelnen „Farben“) und das fällt direkt auf. Wir akzeptieren und leben ganz gut damit. Manchmal zu unserer Freude, beim Regenbogen. Manchmal mit lästigen Nebenerscheinungen, bei optischen Geräten.
Vielleicht zerfällt ein senkrecht einfallendes Photon, wenn der langwellige Anteil zu weit hinterherhinkt in zwei Photonen. Man müsste überlegen, ob was dagegen spricht. Die Summe aller Photonen in Vorwärtsrichtung kann trotzdem wieder weiß ergeben.

Sicher, dies ist alles schlampige Physik; aber vielleicht doch ein mögliches Szenarium.

Oder doch nicht?

Gruß, Maxi

Maxi
07.01.12, 16:18
Es ist still um das Thema "Photon ist (ist nicht) Wellenpaket" geworden.

Nach meiner Ansicht drängen sich jedoch fundamentale Fragen auf, die in den vergangenen Beiträgen zwar gestreift, aber entweder widersprüchlich oder gar nicht beantwortet wurden.


a) Hat ein Photon (prinzipiell) eine feste Frequenz?

-- wenn JA, aus welchem Grund?
-- wenn NEIN, aus welchem Grund?


b) Hat ein Photon, das von einem Atom (aufgrund eines Übergangs von einem angeregten Energiezustand in den Grundzustand) emittiert wird, (prinzipiell) eine Energieunschärfe?

-- wenn JA, aus welchem Grund?
-- wenn NEIN, aus welchem Grund?


c) Lassen sich die Antworten zu den Fragen a) und b) unter einen Hut bringen?


d) Ergeben sich alle verbleibenden Widersprüche aus dem "Welle-Teilchen-Dualismus" und sind deshalb prinzipiell nicht aufzuheben?


e) Oder lassen sich all diese Unstimmigkeiten und Widersprüche, die sich bei der Diskussion über das Thema "Photon" ergeben, gar nur mit dem Goethespruch erklären, den er Mephisto in den Mund legt?
Zitat: "Denn eben wo Begriffe fehlen, da stellt ein Wort zur rechten Zeit sich ein. Mit Worten lässt sich trefflich streiten, ...".
(Ich verstehe hier "Begriffe" im Sinne von eindeutige Begriffsbildungen und Definitionen.)

-- wenn JA, warum hebt man dann diese Widersprüche nicht einfach auf, indem man für unterschiedliche Situationen, unterschiedliche Begriffe definiert?
Bei den Neutrinos unterscheidet man ja auch zwischen Elektronneutrino, Myonneutrino, Tauneutrino; doch wohl nur deshalb, weil sie durch ihnen anhaftende Merkmale unterscheidbar sind. (Obwohl: all zu groß dürften diese Unterschiede doch sicher nicht sein.) Weshalb wirft man dann beim Phänömen Lichtquant (ob nun real, virtuell, Elementarwelle, Energiepaket, Lichtteilchen, Wechselwirkungsteilchen, u. u. u. ...) alles in ein und denselben Topf --- und nennt jedes einzelne "Objekt", das man aus diesen Topf herausgreift, behandelt oder gerade benötigt, schlicht und einfach "Photon"?



Ich bin auf keine Provokation aus; ich suche lediglich nach einer Erklärung, mit denen ich Gymnasialschüler halbwegs zufrieden stellen kann.


Maxi

Hawkwind
07.01.12, 18:14
Hallo Maxi,

ich will mal ein paar Antworten versuchen.



a) Hat ein Photon (prinzipiell) eine feste Frequenz?

-- wenn JA, aus welchem Grund?
-- wenn NEIN, aus welchem Grund?


Ich denke, in der Praxis hat ein Photon zwangsläufig immer eine gewisse - wenn auch oft vernachlässigbar kleine - Energieunschärfe (s.u.) und damit auch eine gewisse Frequenzunschärfe, ist also ein Wellenpaket und nie wirklich zu 100% eine ebene Welle. Es gibt jedoch viele Probleme, in denen diese Unschärfe klein genug ist, um keine Rolle zuspielen; dann macht die einfachere Diskussion des Photons als ebene Welle Sinn.


b) Hat ein Photon, das von einem Atom (aufgrund eines Übergangs von einem angeregten Energiezustand in den Grundzustand) emittiert wird, (prinzipiell) eine Energieunschärfe?


Ein Photon, das emittiert wird, kommt immer von einem angeregten Zustand. Ein angeregter Zustand hat aber immer eine endliche Lebensdauer (ansonsten könnte er kein Photon emittieren). Endliche Lebensdauer impliziert sofort eine zur Lebensdauer inverse Energieunschärfe.
Bei den Spektrallinien spricht man auch von natürlicher Linienbreite. Siehe z.B.
http://de.wikipedia.org/wiki/Linienbreite



d) Ergeben sich alle verbleibenden Widersprüche aus dem "Welle-Teilchen-Dualismus" und sind deshalb prinzipiell nicht aufzuheben?


Meines Wissens löst die Quantentheorie alle vermeintlichen Widersprüche des sog. Teilchen-Welle-Dualismus auf.


Bei den Neutrinos unterscheidet man ja auch zwischen Elektronneutrino, Myonneutrino, Tauneutrino; doch wohl nur deshalb, weil sie durch ihnen anhaftende Merkmale unterscheidbar sind. (Obwohl: all zu groß dürften diese Unterschiede doch sicher nicht sein.)

Entscheidend sind die Materie-Quantenzahlen: die unterschiedlichen Neutrinosorten unterscheiden sich in den Lepton-Quantenzahlen: beim Betazerfall eines Teilchen wird ein Elektron immer von einem Elektron-Antineutrino begleitet und ein Myon von einem Myon-Antineutrino. Nach Stand der Dinge sind Neutrinos ja sogar massiv (wegen beobachteter Neutrinooszillationen) und damit gibt es 3 Neutrinosorten mit unterschiedlichen Massen. Die 3 Neutrino-Flavors sind per Beobachtung erzwungen.
Photonen haben immer dieselben Materie-Quantenzahlen (in der Tat die des Vakuums, alles 0); es gibt deshalb keinen Grund, verschiedene Sorten von Photonen anzunehmen.

Gruß,
Hawkwind

Maxi
08.01.12, 15:16
Hallo Hawkwind,

danke für deine Stellungnahme.

Ich denke, in der Praxis hat ein Photon zwangsläufig immer eine gewisse - wenn auch oft vernachlässigbar kleine - Energieunschärfe (s.u.) und damit auch eine gewisse Frequenzunschärfe, ist also ein Wellenpaket und nie wirklich zu 100% eine ebene Welle. Es gibt jedoch viele Probleme, in denen diese Unschärfe klein genug ist, um keine Rolle zuspielen; dann macht die einfachere Diskussion des Photons als ebene Welle Sinn.

Ein Photon, das emittiert wird, kommt immer von einem angeregten Zustand. Ein angeregter Zustand hat aber immer eine endliche Lebensdauer (ansonsten könnte er kein Photon emittieren). Endliche Lebensdauer impliziert sofort eine zur Lebensdauer inverse Energieunschärfe.
Bei den Spektrallinien spricht man auch von natürlicher Linienbreite. Siehe z.B.
http://de.wikipedia.org/wiki/Linienbreite

Du sprichst mir aus der Seele.

Aber im Gegensatz dazu berichtet z.B. Joachim Schulz in http://www.quantenwelt.de/licht/photonen/ über ein anderes physikalisches Modell, aus einem anderen Blickwinkel:
Zitat:
>>(....) Die Photonen des Lichts "erben" die Eigenschaften der Elementarwellen: Sie sind unendlich lang und haben eine fest definierte Frequenz und Wellenlänge. Sie haben aber zudem eine feste Energie, die nur von ihrer Frequenz abhängt, und sie tragen auch Impuls und Drehimpuls.<<

Dies heißt also: >> Photon ist -- unter Umständen -- nicht gleich Photon<<.
Nun frage ich mich: Hat die Physik derartige Verwirrspiele nötig?
Aus welcher Notwendigkeit heraus muss man eine Elementarwelle unbedingt auch noch Photon nennen?
Dies wäre -- nach meiner Meinung -- alles noch halbwegs vernünftig, wenn wir -- alle zusammen -- am Ende nicht die Inhalte der wesensverschiedenen Photonen gegeneinander ausspielen würden.
Man argumentiert ja schließlich auch nicht mit dem hier definierten Begriff der Elementarwelle gegen die Elementarwelle des HUYGENSschen Prinzips. Weshalb lassen wir uns ausgerechnet beim Begriff des Photons dazu hinreißen?


Meines Wissens löst die Quantentheorie alle vermeintlichen Widersprüche des sog. Teilchen-Welle-Dualismus auf.
Ist dies wirklich so? Führen nicht teilchen- und wellentheoretische Gedanken bei kleinen Quantenzahlen zu total gegensätzliche Aussagen, die erst bei großen Quantenzahlen (Korrespondenzprinzip) in Übereinstimmungen übergehen?


Entscheidend sind die Materie-Quantenzahlen: die unterschiedlichen Neutrinosorten unterscheiden sich in den Lepton-Quantenzahlen: beim Betazerfall eines Teilchen wird ein Elektron immer von einem Elektron-Antineutrino begleitet und ein Myon von einem Myon-Antineutrino. Nach Stand der Dinge sind Neutrinos ja sogar massiv (wegen beobachteter Neutrinooszillationen) und damit gibt es 3 Neutrinosorten mit unterschiedlichen Massen. Die 3 Neutrino-Flavors sind per Beobachtung erzwungen.
Photonen haben immer dieselben Materie-Quantenzahlen (in der Tat die des Vakuums, alles 0); es gibt deshalb keinen Grund, verschiedene Sorten von Photonen anzunehmen.
Gut, gegen diese Einteilung der Neutrinos ist nichts ein zu wenden --- sie ist schlicht vernünftig.
Aber genau so gut gibt es doch auch --- trotz der stets gleichen Ruhemasse und der Tatsache, dass sich alle Photonen (im Vakuum) mit derselben Geschwindigkeit bewegen --- noch genügend markante Unterschiede , die (nach meiner Meinung) eine Begriffsteilung sinnvoll machen würden. Der Fantasie sind doch keine Grenzen gesetzt: Photon, Photino, Photini, Phot..., ...

Gruß,
Maxi

amc
08.01.12, 15:39
Der Fantasie sind doch keine Grenzen gesetzt

Mir gefällt "Photini", sollte in jedem Fall dabei sein ;)

Grüße, AMC

EMI
08.01.12, 15:44
Mir gefällt "Photini", sollte in jedem Fall dabei sein ;)Mir gefällt Photönchen, sollte unbedingt in die Bewerbungsliste aufgenommen werden um die Verwirrspiele der Physik ein für allemal zu beenden!

Gruß EMI

Hawkwind
08.01.12, 17:29
Mir gefällt "Photini", sollte in jedem Fall dabei sein ;)

Grüße, AMC

Aber Vorsicht: "Photino" ist schon vergeben: das ist der supersymmetrische Spin 1/2 - Partner des Photons.

EMI
08.01.12, 18:17
Aber Vorsicht: "Photino" ist schon vergeben: das ist der supersymmetrische Spin 1/2 - Partner des Photons.Simmt Hawkwind,

Photino muss raus aus der Bewerbungsliste!

Gruß EMI

amc
08.01.12, 18:41
Photino muss raus aus der Bewerbungsliste!

Yep.

Danke für den Hinweis Hawk. Hab ich wieder was dazu gelernt.

Mir gefällt Photönchen

Was mich dann zum "Phothörnchen" bringt. Für eher als schwingungsartig zu bezeichnende Zustände zu verwenden.

@Maxi
Ich hoffe, du empfindest dies nicht als ein sich lustig machen - ich für meinen Teil, kann auch weiß Gott nicht beurteilen, ob eine Unterscheidung sind macht, oder warum nicht. Du wirst sicher auch noch kompetente Antworten erhalten.

Grüße, AMC

Maxi
10.01.12, 12:06
Ich "befürchte", dass mit meiner Frage vom 08.01.12:
d) Ergeben sich alle verbleibenden Widersprüche aus dem "Welle-Teilchen-Dualismus" und sind deshalb prinzipiell nicht aufzuheben?
und mit meiner Bemerkung vom 08.01.12 (an Hawkwind):
Gut, gegen diese Einteilung der Neutrinos ist nichts ein zu wenden --- sie ist schlicht vernünftig.
Aber genau so gut gibt es doch auch --- trotz der stets gleichen Ruhemasse und der Tatsache, dass sich alle Photonen (im Vakuum) mit derselben Geschwindigkeit bewegen --- noch genügend markante Unterschiede , die (nach meiner Meinung) eine Begriffsteilung sinnvoll machen würden. Der Fantasie sind doch keine Grenzen gesetzt:(...)
nicht hinreichend deutlich wird, was mein dahintersteckendes Anliegen ist. Ich versuch`s mal so:

In den momentan gängigen Definitionen des Begriffs PHOTON stecken (nach meiner Lesart) kontradiktorische Widersprüche. Z.B.
a) "Das Photon ist mit einer mehr oder weniger breiten Frequenzunschärfe behaftet und ist daher ein Wellenpaket."
im Gegensatz zu
b) "Das Photon hat eine eindeutige feste Frequenz und ist daher eine unendlich lange Welle."

Dazu meine ich:

A) Entweder ist dieser Widerspruch eine reinrassige Konsequenz des "Welle-Teilchen-Formalismus" und daher prinzipiell nicht auf zu heben. Denn zu Energie-Objekten dieser Größenordnung (wie Elektron, Photon, ... ) existieren --- wie wir wissen --- viele unterschiedliche Experimente, in denen man die Versuchsergebnisse nur sinnvoll erklären kann, wenn man deren Teilchencharakter zugrunde legt; es gibt aber zu den gleichen Objekten auch genügend andere Experimente, bei denen man nur mit der Wellentheorie weiterkommt. D.h., sie sind offenbar --- für sich alleine betrachtet --- weder das eine noch das andere. Erst durch Einwirkung spezieller Versuchsaufbauten verhalten sie sich so als ob sie ...?... wären. Solange sich dieser Umstand nicht ändert, sind wir zum "Nichtwissen" und damit gleichbedeutend, zu "Widersprüchen" verdammt.

B) Oder die Widersprüche, die sich in den verschiedenen Definitionen des Photons finden sind schlicht und einfach hausgemacht. Unterschiedlichste Gedanken und Ideen, die sich mit dem Austausch-Wechselwirkungs-Problem, Feynman-Graphen, Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarerzeugung, Elementarwellen, und, und, und ... beschäftigen, benötigen mal die eine, mal eine andere Eigenschaft eines "Objekts", das die spezielle Theorie zu Ende führt und das gemein hin unter dem Namen PHOTON läuft. ... Dass es da zu unterschiedlichen Forderungen und Wunschvorstellungen kommen kann, würde mich nicht wundern.

C) Oder ...

Nun meine Bitte: Wer klärt mich auf?

Maxi

Hawkwind
10.01.12, 12:18
Anscheinend ist es mir nicht gelungen, auszudrücken, dass das Photon als ebene Welle nur eine für manche Fälle nützliche Idealisierung ist.

Allgemein ist es ein Wellenpaket. Die 2 Grenzfälle sind:

(i) Breite delta f (im Frequenzraum) sehr klein gegen sonstige Frequenzen/Energien des Experimentes ==> annähernd eine ebene Welle. Aber Breite exakt = 0 im "Frequenzraum" ist ausgeschlossen.

(ii) Breite delta x (im Ortsraum) sehr klein gegen typische Ausdehnungen des Experimentes ==> große Frequenzunschärfe, Photon zeigt Eigenschaften eiens Teilchens am Orte x (der Peak des Paketes). Auch diese Breite im Ortsraum kann nie exakt = 0 werden.


Das gilt so ganz allgemein nicht nur für Photonen sondern für beliebige subatomare Teilchen.

Gruß,
Hawkwind

____

Nachtrag:
Sehe gerade erst, du beziehst dich auf Joachims Seite; aber dort schreibt er ja auch:


Eine Elementarwelle ist nur ein Denkmodell, das mathematisch beschrieben werden kann

... also nur ein "Denkmodell"; ich sprach von "Idealisierung". Damit schätze ich mal, dass Joachim nicht so weit von meiner Sicht entfernt ist.

Maxi
11.01.12, 10:33
Hallo Hawkwind,
danke für deine Erwiderung.
Offensichtlich haben wir bezüglich eines entscheidenden Punktes --- möglicherweise auch nur aufgrund unterschiedlicher Ausdrucksweisen ein und derselben Fakten und deren "Benennung" --- unterschiedliche Auffassungen.
Es stimmt, die Begriffe "Denkmodell" und "Idealisierung" spielen dabei eine entscheidende Rolle.
Ich werde versuchen, meine Sicht ausführlicher darzustellen, sobald ich etwas Luft habe.

Gruß,
Maxi

Hawkwind
11.01.12, 12:03
Hallo Hawkwind,
danke für deine Erwiderung.
Offensichtlich haben wir bezüglich eines entscheidenden Punktes --- möglicherweise auch nur aufgrund unterschiedlicher Ausdrucksweisen ein und derselben Fakten und deren "Benennung" --- unterschiedliche Auffassungen.
Es stimmt, die Begriffe "Denkmodell" und "Idealisierung" spielen dabei eine entscheidende Rolle.
Ich werde versuchen, meine Sicht ausführlicher darzustellen, sobald ich etwas Luft habe.

Gruß,
Maxi

Ansonsten besteht auch die Möglichkeit, bei Joachim direkt mal anzufragen. Er betreibt ja auch ein Physikforum:
http://www.quantenforum.de/

Maxi
17.01.12, 13:26
Hallo Hawkwind

ich frage mich einfach immer wieder: aus welchem -- mir völlig unerklärlichem -- Grund wollen alle unterschiedlichen Modelle PHOTON genannt werden, obwohl sie sich inhaltlich in ihren Grundannahmen widersprechen? Dennoch, ich gebe die Hoffmnung nicht auf.

(Nur) ein Vorschlag:

A) Ein Photon ist identisch mit einem Wellenpaket mit allen Konsequenzen und zugehörigen Eigenschaften. Um nur einige zu erwähnen (Zitat fast wörtlich):

Ein Wellenpaket wird z.B. erzeugt,
(...), wenn ein Elektron in einem Atom von einem angeregten in einen weniger angeregten Zustand übergeht. Beim Zerfall des angeregten Zustandes schwingt in semiklassischer Vorstellung das Elektron eine gewisse Zeit. Während dieser Zeit (= Lebensdauer) wird es ein Photon emittieren (gedämpfte Schwingung). Typische Lebensdauern solcher atomarer Prozesse sind tau = 10 ns (= Kohärenzzeit). Dieses führt zu Wellenpaketen mit Längen von etwa c mal 10 ns = 3 m (= Kohärenz- länge) mit einer Frequenzunschärfe von etwa 20 MHz.
Das resultierende Licht setzt sich additiv aus Wellenpaketen zusammen, die von vielen unterschiedlichen Atomen ausgesandt wurden und sich in der Phase und auch in der Frequenz unterscheiden. Da die Atome meist in thermischer Bewegung sind, zeigt das von solchen Atomen emittierte Licht Dopplerverbreiterung, bei starker gegenseitiger Wechselwirkung (z. B. Stöße) der Atome auch Druckverbreiterung. Beide Effekte verkürzen die Kohärenzzeit bzw. -länge des emittierten Lichts erheblich.
Das Modell der endlichen Wellenzüge kann nicht alle Aspekte der zeitlichen Kohärenz erklären! Es dient daher nur als Hilfsvorstellung in sehr einfachen Fällen.
Aus mathematischer Sicht besteht ein solches Wellenpaket (entsprechend seiner Frequenzunschärfe) aus einer Überlagerung von unendlich vielen, unendlich langen, monochromatischen Einzelwellen. Ich bin fast versucht, sie (analog zu Joachim Schulz) "Elementarwellen" zu nennen. Wichtig ist jedenfalls, dass die beteiligten Frequenzen aus einem stetigen Intervall der Breite Delta f und nicht aus einem diskreten Spektrum stammen.

Dies entspricht insgesammt ja auch deiner Einschätzung des "praktischen" Photons:
Ich denke, in der Praxis hat ein Photon zwangsläufig immer eine gewisse - wenn auch oft vernachlässigbar kleine - Energieunschärfe (s.u.) und damit auch eine gewisse Frequenzunschärfe, ist also ein Wellenpaket und nie wirklich zu 100% eine ebene Welle. Es gibt jedoch viele Probleme, in denen diese Unschärfe klein genug ist, um keine Rolle zuspielen; dann macht die einfachere Diskussion des Photons als ebene Welle Sinn.
Es ist doch richtig, wenn ich hier die "ebene Welle" als "monochromatische, unendlich lange Welle" deute? Gut.
Bezüglich der Handhabung der Spezialfälle bin ich voll deiner Meinung, wenn man z.B. an folgende Situation denkt:
Ein weiteres markantes Merkmal von Helium-Neon-Lasern ist ihre hohe Kohärenzlänge. Schon bei einfachen Modellen (Multimodenlaser) liegt sie im Bereich der Resonatorlänge, also meist 20-30 cm. Der Grund ist die äußerst schmale Verstärkungsbandbreite des Neon-Laserübergangs von etwa 1500 MHz, sodass nur wenige longitudinale Moden anschwingen können[5]. Thermisch stabilisierte frequenzselektive Resonatoren kommerziell verfügbarer He-Ne-Laser ermöglichen eine Stabilität von wenigen MHz und eine entsprechende Kohärenzlänge von mehr als 100 m[6]. Darüber hinaus gibt es frequenzstabilisierte Helium-Neon-Laser, deren Kohärenzlänge mehrere Kilometer betragen kann.
Mit Sicherheit mag man derart lange Photonen bei einem Versuchsaufbau von wenigen Metern sinnvoller Weise und damit physikalisch hinreichend als unendlich lange Erscheinung betrachten, und infolge dessen auch für die zu erwartenden Versuchsergebnisse mathematisch ausreichend als unendlich lange Gebilde beschreiben; ABER --- von der physikalischen WESENHEIT und EXISTENZ aus betrachtet --- SIND und BLEIBEN sie immer noch mit einer ENDLICHEN LÄNGE behaftet --- und damit sind sie eindeutig WELLENPAKETE. Genau so, wie in der Mathematik die berechneten Grenzwerte für x gegen Unendlich nicht mit den Funktionswerten gleich zu setzen und zu verwechseln sind, und in der Mathematik beginnt Unendlich bei Leibe nicht bereits bei 10 000 wie es sich hier in der Physik anbietet.

All dies passt auch folgerichtig zusammen mit:
(...), dass das Photon als ebene Welle nur eine für manche Fälle nützliche Idealisierung ist.

Allgemein ist es ein Wellenpaket. Die 2 Grenzfälle sind:

(i) Breite delta f (im Frequenzraum) sehr klein gegen sonstige Frequenzen/Energien des Experimentes ==> annähernd eine ebene Welle. Aber Breite exakt = 0 im "Frequenzraum" ist ausgeschlossen.
(ii) Breite delta x (im Ortsraum) sehr klein gegen typische Ausdehnungen des Experimentes ==> große Frequenzunschärfe, Photon zeigt Eigenschaften eiens Teilchens am Orte x (der Peak des Paketes). Auch diese Breite im Ortsraum kann nie exakt = 0 werden.

Das gilt so ganz allgemein nicht nur für Photonen sondern für beliebige subatomare Teilchen.
Ferner treten in allen realen Experimenten Wellenpakete (sprich Photonen) in Erscheinung, die sich mit Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung, Paarvernichtung und jede Art von elektr.-magnet. Strahlung (von Infrarot- bis Gammastrahlung) beschäftigen.
All diesen Einzelprozessen ist gemeinsam: der Impuls- und der Energieerhaltungssatz werden erfüllt.

Fortsetzung folgt unmittelbar
Maxi

Maxi
17.01.12, 13:27
Fortsetzung

Aber im Gegensatz dazu berichtet z.B. Joachim Schulz in http://www.quantenwelt.de/licht/photonen/ über ein anderes physikalisches Modell, aus einem anderen Blickwinkel:

B) Ein Photi.?. ist identisch mit ...
Ein Photon ist weder ein klassisches Teilchen noch ein Wellenpaket.(...)
Eine beliebige Welle kann in unendlich viele Elementarwellen zerlegt werden, deren Überlagerung wieder die ursprüngliche Welle ergibt. Eine Elementarwelle ist nur ein Denkmodell, (...). Sie ist unendlich lang und hat eine exakt definierte Wellenlänge. Obwohl Elementarwellen tatsächlich unendlich lang sind und somit keine realen Wellen beschreiben können, kann man mathematisch Überlagerungen definieren, die endlich lange Wellenzüge beschreiben. (...)
Die Photonen des Lichts "erben" die Eigenschaften der Elementarwellen: Sie sind unendlich lang und haben eine fest definierte Frequenz und Wellenlänge.
Ich verstehe zu wenig von der Theorie, um die volle Bedeutung von "erben" nachvollziehen zu können. Wenn man unter diesem Ausdruck "Summenbildung aller unendlich vielen, unendlich langen, streng monochromatischer Elementarwellen" verstehen darf, "die alle aus einem wohlbegrenzten, stetig verteiltem Frequenzspektrum stammen", so wären wir beim reinrassigen, räumlich begrenzten Wellenpaket, das allerdings mit einer Frequenzunschärfe behaftet ist. D.h. wir wären wieder bei Punkt A).
Oder es ist ganz anders --- ich versteh's ganz einfach nicht.

Dann wäre --- meines Wissens --- nur noch ein "Ausreißer" einzuordnen, zu dem sich bereits (am 18.09.11) JoAx geäußert hat:

C) Ein Phote.?. ist identisch mit dem Austauschteilchen, das ... und unter dem Begriff viertuelles Photon bekannt ist.
Ich denke, du verwechselst hier etwas. Die Photone, die du hier erwähnst, sind virtuelle raumartige Photone. Die "sorgen" nach der QED für das statische elektrische Feld. Und sie sind nicht mit den "normalen" Photonen zu verwechseln, um die es hier (aber auch an einer anderen Stelle) geht.
Wie funktionieren Feynman-Diagramme?
Ein Photon wie dieses hier, das nicht direkt beobachtet wird, sondern im Inneren eines Feynman-Diagramms auftaucht, nennt man auch virtuelles Photon. Es hat noch eine andere seltsame Eigenschaft: Normalerweise gilt für Photonen, dass ihre Energie E und ihr Impuls p über die Gleichung E=pc zusammenhängen. Für unser virtuelles Photon ist das aber nicht der Fall, das würde nämlich gar nicht gehen. Dazu muss man sich nur vorstellen, man säße im Beschleuniger genau da, wo Elektron und Positron sich treffen. Wenn die beiden genau entgegengesetzte Geschwindigkeiten haben, dann ist ihr Gesamtimpuls Null, aber sie haben natürlich eine ziemlich hohe Energie. Das Photon muss diese Energie mitnehmen, aber sein Impuls muss ja Null sein.
Martin Bäker schreibt u.a. unter: www.scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/

Es ist einsichtig, dass ein einziges Objekt, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und die Ruhemasse Null hat, nicht den gesamten Impuls und die volle Energie eines Stoßpartners mit eigener Ruhemasse übernehmen kann.
Ich habe davon letztlich Null Ahnung und kann daher aus den Ziteten nur herauslesen:
Das Phote.?. erfüllt nur den Energieerhaltungssatz.

Gruß
Maxi

Hawkwind
17.01.12, 13:47
Ja, wenn man innere Linien in Feynmandiagrammen als Teilchen (sog. virtuelle Teilchen) interrpetieren will, dann hätten diese einige verrückte Eigenschaften. Sie sind nicht - wie der Autor korrekt sagt - auf ihrer Massenschale; das gilt natürlich nicht nur für virtuelle Photonen sondern für beliebige virtuelle Teilchen.

Ich halte mich da immer gerne zurück, virtuelle Teilchen Realität zukommen zu lassen, denn es sind eigentlich keine Teilchen sondern Terme in einer Störungsreihenentwicklung: Integrale über Propagatorfunktionen. Aber - v.a. in der populären - Literatur macht man das gerne und erzeugt so leicht Missverständnisse. So fragt sich manch einer, ob virtuelle Teilchen schneller als das Licht sein können oder wo der Schwerpunkt eines virtuellen Elektron-Positron-Paares ist: Fragen, die m.E. keinen allzu großen Sinn machen.

Gruß,
Hawkwind

Timm
18.01.12, 11:47
Ich halte mich da immer gerne zurück, virtuelle Teilchen Realität zukommen zu lassen, denn es sind eigentlich keine Teilchen sondern Terme in einer Störungsreihenentwicklung: Integrale über Propagatorfunktionen.
Du kennst sicherlich die Meldung, wonach Forscher mittels eines auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigten "Spiegels" reelle Photonen aus dem Quantenvakuum erzeugt haben wollen. Als Erklärung führen sie die Übertragung von Energie/Impuls auf virtuelle Photonen an.

Wenn das, was landläufig unter virtuellen Teilchen verstanden wird, eigentlich "Integrale über Propagatorfunktionen" sind, dann frage ich mich, wie Energie auf physikalische Konstrukte übertragen wird. Wie soll man ohne Teilchenvorstellung - etwa bei besagtem Experiment - an einen Energie- und Impulsaustausch denken?

Bitte nicht falsch verstehen, ich bezweifle nicht die erwähnten Terme der Störungsreihenentwicklung. Muß man aber denn gerade bezogen auf dieses Experiment nicht annehmen, daß diese Terme etwas beschreiben, was im Quantenvakuum existiert und zu Wechselwirkungen mit reellen Teilchen des Spiegels befähigt ist?

Gruß, Timm

Hawkwind
18.01.12, 13:06
Du kennst sicherlich die Meldung, wonach Forscher mittels eines auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigten "Spiegels" reelle Photonen aus dem Quantenvakuum erzeugt haben wollen. Als Erklärung führen sie die Übertragung von Energie/Impuls auf virtuelle Photonen an.

Wenn das, was landläufig unter virtuellen Teilchen verstanden wird, eigentlich "Integrale über Propagatorfunktionen" sind, dann frage ich mich, wie Energie auf physikalische Konstrukte übertragen wird. Wie soll man ohne Teilchenvorstellung - etwa bei besagtem Experiment - an einen Energie- und Impulsaustausch denken?

Bitte nicht falsch verstehen, ich bezweifle nicht die erwähnten Terme der Störungsreihenentwicklung. Muß man aber denn gerade bezogen auf dieses Experiment nicht annehmen, daß diese Terme etwas beschreiben, was im Quantenvakuum existiert und zu Wechselwirkungen mit reellen Teilchen des Spiegels befähigt ist?

Gruß, Timm

Ja, ein vielleicht berechtigter Einwand, Timm: das Bildchen mit den virtuellen e+ e- -Paaren, die da im Vakuum herumflirren bzw. hier virtuelle Gammas, bewährt sich wirklich erstaunlich oft in dem Sinne, dass es die fast intuitive Vorhersage von Effekten erlaubt, deren exakte Berechnung massiv aufwändig wäre.

Du selbst hattest ja schon beim Casimir-Effekt auf das Papier von Jaffe verwiesen, das den Effekt alternativ mit Standard-QED Störungstheorie erklärte. Vielleicht wäre so etwas hier ebenfalls möglich ... nur, dass man mit QED alleine hier wohl nicht auskommt, da ART gefragt ist.

Auch Hawking-Strahlung lässt sich so ja gut demonstieren.

Vielleicht hast dieses Bildchen ja doch mehr mit der Realität zu tun als mir scheint?

Falls es wen interessiert, habe mir die in diesem Kontext interessierenden Publikationen mal er-googelt:

die "uralte" theoretische Vorhersage des Effektes von Fulling und Davies aus 1976
Radiation from a Moving Mirror in Two Dimesional Space-Time... (http://cosmos.asu.edu/publications/papers/RadiationFromAMovingMirrorInTwoDimensional%2017.pd f)

das Experiment der Schweden
Observation of the Dynamical Casimir E ect... (http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1105/1105.4714v1.pdf)


auf der Seite der schwedischen Instituts:
http://www.chalmers.se/en/news/Pages/Chalmers-scientists-create-light-from-vacuum.aspx

Gruß,
Uli

JoAx
18.01.12, 14:33
das Bildchen mit den virtuellen e+ e- -Paaren, die da im Vakuum herumflirren bzw. hier virtuelle Gammas, bewährt sich wirklich erstaunlich oft in dem Sinne, dass es die fast intuitive Vorhersage von Effekten erlaubt, deren exakte Berechnung massiv aufwändig wäre.


Ich denke es liegt daran, dass man, völlig konform mit der SRT, "sich" immer als ruhend betrachten kann. Mit der Folge, dass man immer ein "Äther"-artiges Modell ausdenken kann. Die Frage ist - warum ist ein solches uns Menschen intuitiv näher, so zu sagen.


Gruß, Johann

Timm
18.01.12, 14:42
Gern Johann, da ist er:

http://www.pro-physik.de/details/news/1411997/Licht_aus_dem_leeren_Raum.html

Gruß, Timm

JoAx
18.01.12, 16:48
Gern Johann, da ist er:

http://www.pro-physik.de/details/news/1411997/Licht_aus_dem_leeren_Raum.html

Gruß, Timm

Danke, Timm!

Aus deinem Link:


Ähnliche Experimente wurden bereits 2009 von Vijay, Devoret und Siddiqi an der Yale University durchgeführt. Allerdings zogen sie zur Erklärung des Effekts eine parametrische Verstärkung von Quantenfluktuationen heran, was für sich genommen kein neues Phänomen ist. Aus Expertenkreisen verlautet daher Zweifel an der Deutung des aktuellen Experiments aus Schweden. Es fehle der Beweis, dass es sich dabei wirklich um eine Messung des dynamischen Casimir-Effekts handelt.


Aus dem "uralten" Link von Uli lässt sich nun auch herauslesen (schon in der "Introduction"), dass sich solche Effekte auf "nicht-trivial beschleunigten 'Spiegeln'" zeigen können. Beschleunigten, nicht bewegten. Beschleunigungen sind in der RT ja nicht relativ. (Nicht alle zumindest.)

Wie auch immer. Das Thema ist nicht trivial, ich weiß, bleibe aber dabei, dass die "virtuellen Teilchen" im Sinne, dass das Vakuum von diesen nur so wimmelt, nur eine, wenn auch gut nutzbare, "Eselsbrücke" ist.


Gruß, Johann

Timm
18.01.12, 16:57
Ja, ein vielleicht berechtigter Einwand, Timm: das Bildchen mit den virtuellen e+ e- -Paaren, die da im Vakuum herumflirren bzw. hier virtuelle Gammas, bewährt sich wirklich erstaunlich oft in dem Sinne, dass es die fast intuitive Vorhersage von Effekten erlaubt, deren exakte Berechnung massiv aufwändig wäre.
Ja Uli, in diesem Sinne, also nicht zu wörtlich (aus einem virtuellem Partikel x' wird das reelle Partikel x), ist die Vorstellung sicherlich hilfreich. Die Schweden schreiben Seite 2: "In fact, quantum theory predicts that it (das Vakuum ist gemeint) teems with virtual particles flitting in and out of existence".

Die Hawkingstrahlung hast Du schon erwähnt. Und Kosmologen sprechen davon, daß während der inflationären Expansion des Universums virtuelle Teilchen-Antiteilchen Paare auseinander gezerrt und so zu reellen Teilchen wurden.

Du selbst hattest ja schon beim Casimir-Effekt auf das Papier von Jaffe verwiesen, das den Effekt alternativ mit Standard-QED Störungstheorie erklärte. Vielleicht wäre so etwas hier ebenfalls möglich ... nur, dass man mit QED alleine hier wohl nicht auskommt, da ART gefragt ist.
Vermutlich schon, obwohl Jaffe nicht auf den dynamischen Casimir-Effekt, den er ja kennen muß, Bezug genommen hat. Umgekehrt nehmen die Schweden keinerlei Notitz von der Aussage Jaffe's, wonach der Casimir-Effekt, ob statisch oder dynamisch, ohne die Annahme virtueller Partikel/Quantenfluktuationen gedeutet werden kann.

Gruß, Timm

Hawkwind
18.01.12, 17:13
Ja Uli, in diesem Sinne, also nicht zu wörtlich (aus einem virtuellem Partikel x' wird das reelle Partikel x), ist die Vorstellung sicherlich hilfreich. Die Schweden schreiben Seite 2: "In fact, quantum theory predicts that it (das Vakuum ist gemeint) teems with virtual particles flitting in and out of existence".

Gruß, Timm

Selbst bei der Interpretation eines simplen Feynmandiagrammes

http://www.scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/feynman0.jpg

gibt es Unterschiede: für mich war das immer die Annihilation eines Elektron-Positron-Paares in ein virtuelles Photon, das wiederum in ein reelles Myon-Antimyon-Paar zerfällt.
Andere sagen, "da wird ausreichen Energie zugeführt, um das Vakuum aufzuspalten und ein virtuelles Myonpaar reell werden zu lassen".

Ich habe in dem Diagramm nie ein Vakuum gesehen. Ist aber sicher auch eine vertretbare Interpretation: sobald virtuelle Teilchen enthalten sind, dies auf das Quantenvakuum zu beziehen.

Gruß,
Uli

Timm
18.01.12, 17:23
Aus dem "uralten" Link von Uli lässt sich nun auch herauslesen (schon in der "Introduction"), dass sich solche Effekte auf "nicht-trivial beschleunigten 'Spiegeln'" zeigen können. Beschleunigten, nicht bewegten. Beschleunigungen sind in der RT ja nicht relativ. (Nicht alle zumindest.)

Hmm, ich weiche jetzt mal vom Thema ab, Johann. Müßte in einem von Null auf eine relativistische Geschwindigkeit beschleunigten neutralen Atom wegen der unterschiedlichen Trägheit von Kern und Elektronenhülle nicht ein Dipolmoment entstehen und eine EM Welle abgestrahlt werden? Rein theoretisch?

Gruß, Timm

JoAx
18.01.12, 17:31
Rein theoretisch?


Rein thoretisch müsste ein Atom ganz heftig "geschüttelt" werden (so verstehe ich - 'nicht-trivial beschleunigt'), damit es zu strahlen anfängt. Nur beschleunigt in eine Richtung (auf beliebige Geschwindigkeit) wird wohl nicht ausreichen. IMHO


Gruß, Johann

Timm
18.01.12, 18:50
Ich habe in dem Diagramm nie ein Vakuum gesehen. Ist aber sicher auch eine vertretbare Interpretation: sobald virtuelle Teilchen enthalten sind, dies auf das Quantenvakuum zu beziehen.

Wobei die virtuellen Teilchen im inneren Bereich des Diagramms zu finden sind. Vor und nach der Wechselwirkung hat man reelle Teilchen. Wie sähe denn das schwedische Experiment als Feynmann-Diagramm aus? Müßte man links ein relativistisches Atom malen, dann virtuelle Photonen und rechts ein Paar, bestehend aus einem Photon und einem Antiphoton? Na, so einfach wird's wohl nicht sein.

Gruß, Timm

Hawkwind
18.01.12, 19:11
Wie sähe denn das schwedische Experiment als Feynmann-Diagramm aus? Müßte man links ein relativistisches Atom malen, dann virtuelle Photonen und rechts ein Paar, bestehend aus einem Photon und einem Antiphoton? Na, so einfach wird's wohl nicht sein.

Gruß, Timm

Ehrlich gesagt: keine Ahnung. :)

Antiphotonen gibt es ja übrigens nicht; das Photon trägt keine Materiequantenzahlen und ist sozusagen sein eigenes Antiteilchen.

Anscheinend spielen beim dynamischen Casimir ART-Effekte eine Rolle, sodass man mit den Feynmangraphen der QED wohl nicht auskommen wird?

Gruß,
Uli

Maxi
19.01.12, 12:05
Hallo ...,

kommt --- bitte --- auf den Punkt. Mir fehlen eure Schlussfolgerungen.


@Maxi
Ich hoffe, du empfindest dies nicht als ein sich lustig machen - ich für meinen Teil, kann auch weiß Gott nicht beurteilen, ob eine Unterscheidung Sinn macht, oder warum nicht. Du wirst sicher auch noch kompetente Antworten erhalten.
amc hatt's erfasst, genau darum geht´s mir, um eure Einschätztung:


Inwiefern sprechen eure Beiträge für bzw. gegen eine klare Differenzierung und Aufteilung des Begriffs PHOTON?

Ist mein Vorschlag insgesamt didaktischer bzw. physikalischer Unsinn?

Sind die Widersprüche, die zwischen A) und B) meines Vorschlags vorliegen, zwangsläufig (wegen ..?.) und damit naturgegeben oder hausgemacht (vermutlich wegen ..?.)?

Ihr habt jedenfalls um Zehnerpotenzen mehr Ahnung von den Detailproblemen als ich --- und ich bräuchte, wie schon mal gesagt, bei Diskussionen mit den Schülern halbwegs sinnvolle (sprich widerspruchsfreie) Aussagen --- der Didaktik wegen und der Physik zuliebe ...

Gruß,
Maxi

JoAx
19.01.12, 15:48
Hi Maxi!

IMHO!!!


bei Diskussionen mit den Schülern halbwegs sinnvolle (sprich widerspruchsfreie) Aussagen --- der Didaktik wegen und der Physik zuliebe

Wenn's dir wirklich um die Didaktik geht, dann fährt man (vermutlich) am besten mit der Wahrheit, dass Photone - Quanten sind. Und die einzige ehrliche Antwort auf die Frage - "Was ist ein Quant?" - die ich kenne, lautet - "Wir wissen es nicht." .... "Vielleicht findet es einer von Euch raus. :D"

Was man weiß, ist, wie man dieses oder jenes Phänomen in der Natur beschreibt. Und da kommt man nicht ausschließlich mit "Welle" oder "Teilchen" aus. Wenn ich auf deinen Differenzierungsvorschlag eingehen soll, dann kann ich nur sagen, dass die Physik hier genau umgekehrten Weg geht/gegangen ist. Man kann in Büchern eher Sätze finden, wie in etwa:

"Wir sagen Photon, meinen aber alle Quanten-Arten."

oder

"Wir sagen Elektron, meinen aber alle Quanten-Arten."

Die QM unterscheidet da zwischen den Objekten auf die gleiche Weise, wie das Newton'sche Gravitationsgesetz zwischen Sonne und Erde unterscheidet - gar nicht. :(
Bzw., die Unterscheidung ergibt sich aus der konkreten Situation mehr oder weniger "automatisch". Beim Garvitationsgesetz ist es die Masse gewesen, in der QM sind es dann noch Quantenzahlen, Energie/Frequenz, "Spin", ... was auch immer.


Energie von Lichtquanten (http://de.wikipedia.org/wiki/Quant) (Photonen (http://de.wikipedia.org/wiki/Photon))http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/math/e/f/d/efdc1e7998e4b59a789276bf20cde59e.png

,wobei h das plancksche Wirkungsquantum (http://de.wikipedia.org/wiki/Wirkungsquantum) und f die Frequenz (http://de.wikipedia.org/wiki/Frequenz) ist.


Ich sehe da kein "Wellen-Paket". Nur eine "feste" Frequenz. "fest" aber nicht im Sinne von "intrinsisch".

Das ist jetzt sicher nicht alles, aber vlt. als Anfang.


Gruß, Johann

PS: Die virtuellen Teilchen würde ich zunächst vlt. weg lassen.

Maxi
20.01.12, 12:18
Danke Johann!

Deine Betrachtungsweise der Objekte und Phänomene der Natur und vor allem deren Beschreibung (mit mathemathischen Gleichungen), ob nun klassisch oder quantenmechanisch, deckt wohl -- so scheint mir -- etwas physikalisch fundamental Grundlegendes auf. Es spricht dies zwar gegen meinen Versuch der Differenzierung der Begriffe, erscheint aber dennoch -- ich seh's ein -- der Sache -- im Ganzen gesehen -- angemessener zu sein. Zumindest erhält es die "Spannung" in der Physik, die damit in allen Bereichen vorwärts gerichtet offen bleibt ...
Die QM unterscheidet da zwischen den Objekten auf die gleiche Weise, wie das Newton'sche Gravitationsgesetz zwischen Sonne und Erde unterscheidet - gar nicht. :(
Bzw., die Unterscheidung ergibt sich aus der konkreten Situation mehr oder weniger "automatisch". Beim Garvitationsgesetz ist es die Masse gewesen, in der QM sind es dann noch Quantenzahlen, Energie/Frequenz, "Spin", ... was auch immer.
Ich verstehe jedoch nicht ganz, was du mit "feste" Frequenz und nicht "intrinsisch", bei EPhoton = h f zum Ausdruck bringen willst:
Ich sehe da kein "Wellen-Paket". Nur eine "feste" Frequenz. "fest" aber nicht im Sinne von "intrinsisch".
"fest" im Sinne von "gleichbleibend", oder im Sinne von "monochromatisch"?

nicht "intrinsisch",
sondern "extrinsisch"(?), "von außen her (angeregt), nicht aus eigenem Antrieb erfolgend"(???) (nach Wikipedia).

Du hast mir aber bereits -- der Idee nach -- ein gutes Stück weiter geholfen.

Nochmals Danke!

Maxi

Maxi
23.01.12, 10:57
Hallo Johann,

(...) Man kann in Büchern eher Sätze finden, wie in etwa:

"Wir sagen Photon, meinen aber alle Quanten-Arten."
oder
"Wir sagen Elektron, meinen aber alle Quanten-Arten."

Die QM unterscheidet da zwischen den Objekten auf die gleiche Weise, wie das Newton'sche Gravitationsgesetz zwischen Sonne und Erde unterscheidet - gar nicht. :(
Bzw., die Unterscheidung ergibt sich aus der konkreten Situation mehr oder weniger "automatisch". Beim Garvitationsgesetz ist es die Masse gewesen, in der QM sind es dann noch Quantenzahlen, Energie/Frequenz, "Spin", ... was auch immer.

um keine Missverständnisse aufkommen zu lassen, versuche ich, deine neu ins Spiel gebrachten Gedanken mit eigenen Worten aus zu malen. Und bitte dich --- falls nötig und du die nötige Zeit dazu findest --- mich zu korrigieren.

a) Klassische Himmelsmechanik:
"Kreisen" irgendwelche Objekte umeinander, so wird ihre Bewegung durch das Newtonsche Kraftgesetz F = G* m1* m2/(r*r) bestimmt. m1 und m2 sind die (meist) unterschiedlichen Massen der fliegenden Objekte; r ist der gegenseitige Abstand. Und aufgrund des dritten Newtonsche Gesetzes (actio gegengleich reactio) sind die beiden Objekte --- bezüglich ihrer Rolle, die sie bei diesem Geschehen spielen, und was die physikalische Qualität der Objekte betrifft, --- durch absolut nichts zu unterscheiden; sie kreisen schließlich beide jeweils um den gemeinsamen Schwerpunkt.

Erst "die konkrete Situation" bringt zu Tage, welchem der beiden Objekte die Bezeichnung Zentralgestirn mZ und bzw. Trabant mT zukommt.

b) QM:
Werden mit irgend welchen Quantenobjekten z.B. bei Anwendung des DEBYE-SCHERRER-Verfahrens Interferenzversuche durchgeführt, so wird deren Verhalten durch die BRAGGsche-Reflexionsbedingung bestimmt: k*Wellenlänge = 2*d*sin(BRAGG-Winkel); wobei die Wellenlänge der DE BROGLIE-Wellenlänge gleich zu setzen ist. Und dabei sind die Quantenobjekte --- hinsichtlich ihres Verhaltens --- in keiner Weise zu unterschieden.

Dies heißt also allgemein: Führt man mit irgend einem beliebigen Quantenobjekt (egal welchen Namen es bereits trägt oder vielleicht später bekommen wird) irgend ein typisch quantenmechanisches Experiment durch, so gelten die aus diesem speziellen Einzelversuch gewonnenen Erkenntnisse zugleich auch für alle anderen Quantenteilchen in gleicher Weise; so nach dem Motto:
"Wir sagen Elektron, meinen aber alle Quanten-Arten."
Erst "die konkrete Situation" bringt es an den Tag, welchem Objekt zusätzlich welche Quantenzahlen, Energie/Frequenz, "Spin", ... zugeordnet werden kann.

Dies heißt wiederum allgemein: Die Zuordnung der unterschiedlichen Quantenzahlen, "Spins", ..., ist erst dann möglich, wenn mit den einzelnen Quantenexperimenten weitere Zusatz-Experimente durchgeführt werden, die auf die Maßzahlen dieser unterschiedlichen Größen bzw. Eigenschaften schließen lassen.

Johann, habe ich dich soweit --- fürs erste --- richtig verstanden?

Gruß, Maxi

JoAx
24.01.12, 08:24
Hi Maxi!

Tut mir Leid, dass ich schweige. Hab' zum einen wirklich etwas wenig Zeit, und zum anderen ist es auch keine einfache Aufgabe, die du da stellst. :)
Ich werde versuchen Heute etwas zusammen zu kriegen.


Gruß, Johann

Hawkwind
24.01.12, 12:13
Dies heißt also allgemein: Führt man mit irgend einem beliebigen Quantenobjekt (egal welchen Namen es bereits trägt oder vielleicht später bekommen wird) irgend ein typisch quantenmechanisches Experiment durch, so gelten die aus diesem speziellen Einzelversuch gewonnenen Erkenntnisse zugleich auch für alle anderen Quantenteilchen in gleicher Weise;
...


Mhm ..., was soll das denn heissen?

Die Quantenstatistik gilt für ununterscheidbare Teilchen!
Das sind Quantenobjekte, die sich nicht mit Hilfe einer Messung identifizieren bzw. voneinander unterscheiden lassen.


Beispiel: Elektron A hat keinen irgendwie gearteten "Stempel", sodass ich es von Elektron B unterscheiden könnte.

Wird ein Experiment an einem Elektron mit einem anderen Elektron wiederholt, so erhalte ich dieselben Beobachtungen!


Gegenbeispiel: ein Elektron und ein Neutron kann ich aber per Messung auseinanderhalten (z.B. über unterschiedliche Massen oder Ladungen).

Wird ein Experiment an einem Elektron mit einem Neutron wiederholt, so erhalte ich voneinander abweichende Beobachtungen!

Ich hoffe, ich habe überhaupt verstanden, worum es euch hierg geht?

Maxi
24.01.12, 20:37
Hallo Hawkwind,

meinen Satz wollte so verstanden wissen, dass man ihn u.a. folgendermaßen weiterführen kann:

Weil sich die Objekte, die wir gemeinhin "Elektronen" nennen, bei allen Experimenten in ihren Grundeigenschaften nicht weiter unterscheiden lassen, bezeichnet man sie mit einem gemeinsamen Namen. Und ein weiteres Teilchen, das sich genau so verhält, nennt man deshalb genau so ELEKTRON. Dazu passt deine Aussage:
Elektron A hat keinen irgendwie gearteten "Stempel", sodass ich es von Elektron B unterscheiden könnte.


Im Gegensatz dazu
Gegenbeispiel: ein Elektron und ein Neutron kann ich aber per Messung auseinanderhalten (z.B. über unterschiedliche Massen oder Ladungen).

Also genau, wie du sagst: Ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften, bekommen die Objekte entsprechend unterschiedliche Namen.

In diesem Sinne --- finde ich --- haben wir uns voll verstanden.

Mehr wage ich dazu jedoch nicht zu sagen. Nun kommt´s auf JoAx und dich an ...

Gruß,
Maxi

Hawkwind
25.01.12, 13:01
...
Mehr wage ich dazu jedoch nicht zu sagen. Nun kommt´s auf JoAx und dich an ...



Wieso auf mich?
Ich habe doch schon oben meine Sicht zu deinen Fragen wiedergegeben und da hat sich nichts dran geändert.

Gruß,
Hawkwind

Maxi
26.01.12, 11:26
Hallo Hawkwind,

Mehr wage ich dazu jedoch nicht zu sagen. Nun kommt´s auf JoAx und dich an ...

Wieso auf mich?
Ich habe doch schon oben meine Sicht zu deinen Fragen wiedergegeben und da hat sich nichts dran geändert.
Entschuldigung --- mit meiner etwas vorlauten Bemerkung wollte ich lediglich meinen Wunsch zum Ausdruck bringen, dass du unseren Dialog hoffentlich auch weiterhin kritisch begleitest, weil ich selbst nicht all zu viel Ahnung habe ...

Maxi

JoAx
28.01.12, 14:47
Hallo Maxi!

der Didaktik wegen und der Physik zuliebe ...


Da stellst du eine ganz schöne Aufgabe. Ich nehme an, es gibt nichts, worauf du als Lehrer in einer Schule zurückgreifen könntest, wenn es um die QM geht. Sprich - die QM liegt ausserhalb des Lernstoffes einer Schule. Du willst da aber "keine Rücksicht darauf nehmen" und das Thema, wenn man so will, anreißen. Und das auch noch nicht "chaotisch" - wir schwätzen mal über dieses und jenes, sondern strukturiert, so wie du (vermutlich :)) andere physikalische Themen, die im Rahmen der schulischen Bildung liegen, behandelst.

Man muss also eine Art (Ex-) Kursus für Schüler entwickeln, das strukturiert und didaktisch sinnvoll ist. So dass wenn eine(r) von ihnen späther an der Uni QM studiert nicht feststellen muss, dass alles mehr oder weniger falsch war, was in diesem Kurs geboten wurde. Stimmt's?

Das ist ganz schön heftig. :)
So etwas kann eigentlich nur jemand, der das beruflich schon macht. Der den Überblick hat. Ich finde es wirklich klasse, dass du so etwas machen möchtest, ein Internetforum ist da imho aber prinzipiell eher ungeeignt dafür. Einzelne "Sachen" kann man hier gerne diskutiern, aber ... . :o

Eigentlich "müsstest" du dich dazu mit einem Professor an einer Uni treffen, und ihn dazu bringen, an der Entwicklung mit zu wirken. So ein richtiges Projekt anstoßen. :D Zu Anfang, um dir selbst einen Überblick zu beschaffen, könnte dir schon dieses Buch helfen:

http://books.google.de/books?id=1PGQ1W8sP1YC&printsec=frontcover&hl=de#v=onepage&q&f=false

Das ist eine ziemlich ausführliche Vorschau, in die du "reinschnuppern" könntest. Diese Vorlesungen wurden zwar an einer Uni gehalten, aber das Publikum waren nicht nur Physiker, sondern alle, die ein Interesse daran hatten. Deswegen wurden diese auch etwas "verständlicher" gehalten, und könnten somit auch deine Schützlinge nicht zu sehr überfordern, aber auch für dich als eine Art Vorlage dienen.

Mehr kann ich (leider) wirklich nicht helfen.


Gruß, Johann

NACHTRAG:
Ich bin gerade auf diese Seite hier gestossen:
http://www.forphys.de/Website/index.html
Ich weiß ehrlich gesagt nicht, wie "gut"/"richtig" sie ist. Vlt. könnte Uli mal drüber schauen. (???)
Wäre sie in Ordnung, dann wäre das eigentlich genau das, was du bräuchtest, Maxi. Oder?

Struktron
30.01.12, 10:53
Hallo,

sehr interessant und hilfreich ist, was von:
http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/index.html angeboten wird.
Besonders auch der Umgang mit den "Altlasten".

Sehr anschaulich ist auch die "Thermische Interpretation" von Arnold Neumaier, die er als Text in seiner FAQ
http://www.mat.univie.ac.at/~neum/physik-faq.txt
unter "S45. Was ist denn eigentlich ein Photon?" verwendet.

Beispielsweise steht da "... Bei einem Doppelspaltexperiment quetscht sich also ein Photon in Form einer Wolke, die die Teilchendichte beschreibt
(das, was fr"uher Aufenthaltswahrscheinlichkeit hiess),
durch beide Spalte gleichzeitig, ver"andet dabei seine Form,
wird zu einer Superposition des Photons durch den linken und des
Photons durch den rechten Spalt, was sich darin "aussert, dass
die Dichte zwei lokale Maxima bekommt, Mit dieser
Pers"onlichkeitsspaltung l"auft das arme Teilchen weiter,
ger"at in Verwirrung und bildet dabei in seiner Dichte ein
Interferenzmuster aus. Beim Auftreffen auf dem Schirm bekommt
das photon einen f"urchterlichen Schreck und zieht sich wieder
auf seine Ganzheit zusammen, wegen der grossen Aufregung allerdings
etwas zuf"allig, in der N"ahe eines der Maxima seines vorigen
Interferenzmusters. ..."

MfG
Lothar W.

JoAx
30.01.12, 13:00
Hi Lothar!


sehr interessant und hilfreich ist, was von:
http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/index.html angeboten wird.
Besonders auch der Umgang mit den "Altlasten".


Das sieht echt interessant aus.


Danke und Gruß, Johann