Prof. E.T Jaynes und die Neoklassiker

[Thom_B]

Prof. E.T. Jaynes und die neoklassische Strahlungstheorie

Ich möchte hier ein neues Thema aufmachen, das es aus meiner Sicht wert ist, wieder in Erinnerung gerufen zu werden. Es geht dabei um die sogenannten Neoklassiker um Prof. E.T Jaynes, die in den späten 60-ger Jahren des letzten Jahrhunderts aktiv waren. Ihr Ziel war es, die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie möglichst ohne die Annahme von quantisierten Lichtfeldern (Photonen) zu erklären. Sie beschränkten sich auf eine semiklassische Theorie, in der die Materie quantenmechanisch beschrieben wird, das Lichtfeld aber immer klassisch bleibt. Die Wechselwirkung wird durch die nichtrelativistische Quantenmechanik beschrieben und das Lichtfeld tritt dann in Form eines Dipol-Potentials als zusätzlicher Term in der Schrödinger - Gleichung auf.

Eines vorweg: das waren keine esoterischen Spinner oder Aussenseiter, sondern akzeptierte Wissenschaftler ihrer Zeit, die normal publizierten und auf Konferenzen vortrugen, sie wurden von ihren Kollegen auch nie ausgegrenzt.

Jetzt zu ihrer Theorie:
- Das Standardbeispiel an dieser Stelle, der Photoeffekt, ist schnell abgehandelt. Alle üblichen Phänomäne des Photoeffektes lassen sich semiklassisch erklären. Für die Profis: man berechnet die Ionisationswahrscheinlichkeit eines Detektors oder Atoms, für welches man das Lichtfeld als eine klassische zeitabhängige Störung betrachtet. Eine Integration über ein Kontinuum an möglichen Endzuständen des Detektors liefert den Photoeffet. Die Rechnung ist wesentlich länger als die übliche aber machbar. In der Standard Quantenmechanik heißt dieses Resultat oft "Fermis Goldene Regel". Eine relativ ausführliche Herleitung enthält das Buch von Mandel, Wolf: Coherence and Quantum Optics von der Cambridge University Press oder auch der zweite Band des Quantenmechanik Lehrbuches von C. Cohentannoudij.

- Schwieriger sind alle Phänomäne, die die Lichtemission betreffen. Warum gibt es überhaupt Spontanemission? Hier liefert die Quantenelektrodynamik eine plausible Antwort, indem sie die spontane Emission als Folge der Wechselwirkung des Atoms mit den Vakuumfluktuationen erklärt. Die Neoklassiker, für die es diese Vakuumfluktuationen nicht gibt, hatten hier eine recht komplizierteTheorie, in der eine Rückwirkung des Feldes auf das angeregte Atom zu einer Emission führt. Das funktionierte im Prinzip, der Zerfallsprozess würde aber hier einen anderen zeitlichen Verlauf zeigen.

- Harter Punkt: Die Lamb- Shift, eine Verschiebung der Energieniveaus des Wasserstoff Atoms, die man präzise messen und durch die Wechselwirkung des Atoms mit den Vakuumfluktuationen der Quantenelektrodynamik erklären kann, musste natürlich auch von den Neoklassikern erklärt werden. Hier gab es eine Wette zwischen Jaynes und Franken, in der Jaynes herausgefordert wurde mit seiner Theorie einen Zahlenwert für die Lamb-Shift zu liefern, den man auch mit einem Experiment vergleichen könnte. Nach einigen Jahren stellte Jaynes seine Ergebnisse auf einer Konferenz vor, er hatte die Wette jedoch verloren (Herr Lamb persönlich fungierte als Schiedsrichter), da seine Ergebnisse zwar qualitativ in die richtige Richtung gingen, quantitativ aber zu vage blieben. Material zu dieser Wette gibt es unter: http://www.optics.rochester.edu/~str...TML/chapIV.htm

- Heute gibt es eine vielzahl von Messungen, die über eine neoklassische Beschreibung hinausgehen und zeigen, dass man nicht alles klassisch beschreiben kann. Prominentestes Beispiel ist das Anti- Bunching im Hanbury Brown-Twiss Aufbau. Hier wird die Wahrscheinlichkeit gemessen das zwei Detektoren an je einem Ausgang eines Strahlteilers gleichzeitig ein Signal abgeben. Da sich eine klassische Welle am Strahlteiler immer in zwei Teilwellen aufteilt, werden bei einer klassischen Welle beide Detektoren gleichzeitig ansprechen. Das Photon muss sich hingegen entscheiden und kann nur einmal gemessen werden, nie von zwei Detektoren gleichzeitig. Das hat man für Ein Photon Felder auch tatsächlich beobachtet.

Insgesamt ist dies ein schönes Beispiel, dass gute und fundierte Kritik die Wissenschaft voranbringt. Viele Konzepte und Begriffe, von denen die Quantenoptik heute lebt, wurden in dieser Debatte erstmals klar formuliert.