Photon ist (ist nicht) Wellenpaket

[Maxi]

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,

Zitat von Wikipedia-Kohärenz (Physik)

(...), 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:

Zitat von Hawkwind

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:

Zitat von Wikipedia-He-Ne-Läser

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:

Zitat von Hawkwind

(...), 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]

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 ...

Zitat von Joachim Schulz

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.

Zitat von JoAx

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.

Zitat von Martin Bäker

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]

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]

Zitat von Hawkwind

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]

Zitat von Timm

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...

das Experiment der Schweden
Observation of the Dynamical Casimir Eect...


auf der Seite der schwedischen Instituts:
http://www.chalmers.se/en/news/Pages...om-vacuum.aspx

Gruß,
Uli

[JoAx]

Zitat von Hawkwind

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]

Gern Johann, da ist er:

http://www.pro-physik.de/details/new...eren_Raum.html

Gruß, Timm

[JoAx]

Zitat von Timm

Gern Johann, da ist er:

http://www.pro-physik.de/details/new...eren_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]

Zitat von Hawkwind

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.

Zitat von Hawkwind

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]

Zitat von Timm

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



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