Licht: Welle oder Teilchen?

[Querkopf]

Ich durfte mich mal mit Elektronen an den Oberfläche von Edelmetallen befassen. Die Jungs machen ziemlich krasse Sachen (z.B. Confinement), aber mit deinem Modell hat das überhaupt nichts zu tun. Und wenn ich eine Metalloberfläche poliere sieht das Mikroskopisch immer noch aus wie eine Kraterlandschaft, die außerdem noch eine starke Dynamik hat.
Und der Casimireffekt tritt nicht nur zwischen zwei Metallplatten auf, sondern z.B. auch zwischen Einem BEC und einer Glassplatte (also einem Quantenkondensat und einer viskosen Flüssigkeit)

[ingeniosus]

Zitat von Querkopf

Wenn ich ein wasserstoffähnliches Atom betrachte, dann ist das Problem zentralsymmetrisch, also Isotrop und daher gilt Drehimpulserhaltung.

Und nun langsam -- ohne Emotion : zentralsymmetrisch ist für mich kreisförmig oder denke ich chinesisch? Drehimpulserhaltung heisst für mich : es dreht sich etwas um einen Drehpunkt !!!

Es ist schon klar dass die Planetenbewegung seit Kepler genau berechnet ist und die Bahnen keine Kreise sind, aber dafür kann man ja auch die Summe der universellen Massekräfte als verantwortlich sehen, oder?

Es geht mir nur um die naivistische (= nicht naiv) Betrachtungsweise der analogen Bewegung der Planeten um die Sonne oder des Mondes um die Erde und diejenige der Elektronen um den Atomkern (nach Nils Bohr).

Physik ist eine beobachtende Wissenschaft, die Mathematik macht sie zu kleinlich!

Das Planksche Wirkungsquantum wurde nicht errechnet, sondern physikalisch festgestellt!

[ingeniosus]

Zitat von Querkopf

Ich durfte mich mal mit Elektronen an den Oberfläche von Edelmetallen befassen. Die Jungs machen ziemlich krasse Sachen (z.B. Confinement), aber mit deinem Modell hat das überhaupt nichts zu tun. Und wenn ich eine Metalloberfläche poliere sieht das Mikroskopisch immer noch aus wie eine Kraterlandschaft, die außerdem noch eine starke Dynamik hat.

OK, dann habt Ihr damals aber eine Oberfläche betrachtet, ich meine die Struktur innerhalb eines Körpers (Metalles).

Irgendwo habe ich gelesen, dass das BOHRsche Atommodell (1913) nicht ganz so einfach ist, wie wir es noch Ende 60er Jahre gelernt haben. Die wesentlichen Bewegungen innerhalb eines einigermassen homogenen Körpers sind aber schon so, oder gilt das nicht mehr?

[ingeniosus]

Zitat von Querkopf

Und der Casimireffekt tritt nicht nur zwischen zwei Metallplatten auf, sondern z.B. auch zwischen Einem BEC und einer Glassplatte (also einem Quantenkondensat und einer viskosen Flüssigkeit)

Der Casimireffekt wurde vor kurzem im Fernsehen als das neueste Forschungsresultat deutscher Physiker dargestellt, ist aber doch schon in den 50er Jahren entstanden. Die "Virtuellen Teilchen" sind ja ein echter Hammer, heute meint man doch zumindest Fermionen oder Bosonen....

Hoch interessant finde ich auch etwa die Verschränkung bei Photonen oder deren Teilchen, die ja bekanntlich von einem Wiener od. genauer Tiroler wiedergefunden und genauer erforscht wurde und wird.

[ingeniosus]

Zitat von Querkopf

Ein Vakuumzustand ist nur der Grundzustand eines Systems in der Vielteilchenquantenmechanik bzw. der Quantenfeldtheorie.
Dieser Vakuumzustand, kann durchaus ein Kollektiv von Elektronen Atomrümpfen oder Spins sein, also alles andere als ein leerer Raum.

..... und später....
Wir haben unseren Vakuumzustand (der Grundzustand unseres quantisierten Elektromagnetischen Feldes um Missverständnissen zu vermeiden) und unser Maxwellfeld.


Zunächst meinen Respekt vor Ihrem komplexen und umfangreichen Fachwissen - Sie scheinen also ein echter Quantenphysiker zu sein..

Ich bin ein studierter Elektroingenieur, der immer in der Informatik tätig war und nun seinen messerscharfen Struktur- und Systemverstand auf die Naturwissenschaft loslässt....


Also ich kombiniere:

Es bleibt beim Objekt Vakuumzustand: Es ist ein Zustand eines Quantenfeldes und elektromagnetischen Feldes, das quantisiert ist. Das wäre dann ganz grob also gleichzusetzen.

Mathematisch wäre dann äquivalent Quantenfeldtheorie und quantisierte Maxwellfeldtheorie (, die für mich aus der Vektorrechnung folgt)

Wo stecken dann dabei die Schwache und Starke Wechselwirkung? Sind die im "Quantenfeld"?

[uwebus]

Querkopf,
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..aber mit deinem Modell hat das überhaupt nichts zu tun. Und wenn ich eine Metalloberfläche poliere sieht das Mikroskopisch immer noch aus wie eine Kraterlandschaft, die außerdem noch eine starke Dynamik hat.
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Das glaube ich Dir ja. Wesentlich ist jedoch nicht die von mir dargestellte Symmetrie, sondern die Kontaktfläche und die dürfte in etwa zutreffen.

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Und der Casimireffekt tritt nicht nur zwischen zwei Metallplatten auf, sondern z.B. auch zwischen Einem BEC und einer Glassplatte (also einem Quantenkondensat und einer viskosen Flüssigkeit)
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Das mag ja ebenfalls zutreffen, aber das heißt doch nicht, daß nicht auch hier freie Elektronen eine Rolle spielen können. Ich habe etwas gegen “Verbote“ in der Natur, denn Verbote sind eine menschliche Erfindung.

http://de.wikipedia.org/wiki/Casimir-Effekt
“Damit sind zwischen den Platten bestimmte Zustände virtueller Teilchen verboten, die außerhalb angenommen werden können. Alle erlaubten virtuellen Teilchen werden aber an den Platten reflektiert.“

Was mich eben wundert sind die Werte, die sich da ergeben zwischen Modell und Empirie; querbeet durch diverse Gebiete der Physik komme ich zu zahlenmäßigen Übereinstimmungen mit deren empirischen Werten, von der Gravitation über die Coulombkraft zu den Atom- und Molekülgrößen einschließlich Bindungsabständen, Planck-Konstante, c=(fast)konstant, Zeitdilatation etc., und das alles mit einer einzigen Annahme, wobei ich sogar noch Erklärungen liefere, die in der Physik noch ausstehen.

Ich nehme an, daß irgendwann mal ein Physiker, der auch ein wenig philosophisch denkt, sich zu fragen beginnt, was eigentlich der Raum zwischen den Gestirnen ist, welche Funktion er ausübt, und dann wird in der Physik ein Umdenken einsetzen. Solange jedoch das Vakuum lediglich als Aufbewahrungsbehälter für Galaxien betrachtet wird, solange werden die Urknallideologen die Weltsicht bestimmen. Bezüglich der Zeit hat ja inzwischen ein Umdenken begonnen, für den Raum steht dies noch aus. Als ich vor Jahren Zeit als psychisches und nicht physisches Phänomen an den Mann zu bringen versuchte, bin ich nur als Blödel abgestempelt worden, heute habe ich zumindest hier eine Art Wiedergutmachung erfahren (bild der wissenschaft, Ausgabe 1/2008). Vielleicht erlebe ich es ja auch noch, daß auch ein endliches Feldmodell in Physikerhirne Einzug hält, dann hören diese absurden Unendlichkeiten endlicher Größen in der Physik auf.

Ich kann es nicht beweisen, aber ich bin sicher recht zu haben mit der Aussage:
Eine endliche Energiemenge kann nur endliche Werte in Ausdehnung und Dichte annehmen.
Daraus folgt ein Energiequantenfeldmodell und daß ein solches prinzipiell funktioniert führe ich mit meiner HP vor. Nicht mehr und nicht weniger.

Gruß

[Uranor]

Zitat von uwebus

Und der Casimireffekt tritt nicht nur zwischen zwei Metallplatten auf, sondern z.B. auch zwischen Einem BEC und einer Glassplatte (also einem Quantenkondensat und einer viskosen Flüssigkeit)
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Das mag ja ebenfalls zutreffen, aber das heißt doch nicht, daß nicht auch hier freie Elektronen eine Rolle spielen können. Ich habe etwas gegen “Verbote“ in der Natur, denn Verbote sind eine menschliche Erfindung.

salve und sorry,

an genügend Stellen ist es sehr schwer, nur gespannt zuzuhören. Das mit den Valenzelektronen für die Glasplatte hätte jetzt aber wirklich nicht kommen dürfen. @uwebus, wer noch derart krasse Fehler bei im Grunde schülerbekanntem einbaut, sollte wirklich nicht mal über unseren lokalen Fensterputzer Spottelegien verkünden geschweige denn über den Glasmonteur, der nicht mal bei größten Schaufensterscheiben auf die Idee käme, sie zu erden. Angemessen wäre, seinen Stoff zu lernen. Man sollte beurteilen können, worüber man spricht.

Gruß Uranor

[orca]

Zitat von ingeniosus

Ich ...., der ...... nun seinen messerscharfen Struktur- und Systemverstand auf die Naturwissenschaft loslässt....

Ist das ironisch gemeint?

Ich vermute nicht!

[Querkopf]

Und nun langsam -- ohne Emotion : zentralsymmetrisch ist für mich kreisförmig oder denke ich chinesisch?

Ein Quadrat ist ein Rechteck, aber nicht jedes Rechteck ein Quadrat.
Ein Kreis ist Zentralsymmetrisch. Aber nicht jedes zentralsymmetrische Problem hat eine Kreisförmige Lösung. Ich habe auch gewisse Probleme mir bei einem Zentralsymmetrischen Problem sagen wir in 10 räumlichen Dimensionen Kreise vorzustellen.
Und chinesisches Denken ist kein Problem, weil für mich Alltag.

Es ist schon klar dass die Planetenbewegung seit Kepler genau berechnet ist und die Bahnen keine Kreise sind, aber dafür kann man ja auch die Summe der universellen Massekräfte als verantwortlich sehen, oder?

Für mich sind das Einfach mögliche Lösungen der klassischen Bewegungsgleichungen für ein solches Zentralsymmetrisches Problem.

Es geht mir nur um die naivistische (= nicht naiv) Betrachtungsweise der analogen Bewegung der Planeten um die Sonne oder des Mondes um die Erde und diejenige der Elektronen um den Atomkern (nach Nils Bohr).

Nun ist aber das Bohrsche Modell schon seit mindestens 80 – 90 Jahren theoretisch überholt und bereits zu der Zeit als es postuliert wurde im Widerspruch zum Experiment.
Es war ein Übergangsmodell mit extrem kurzer Lebenszeit, das eigentlich zu keinem Zeitpunkt wirklich wissenschaftlich Etabliert war. Es war ein Aufbruchszeichen. Bohr hat gezeigt, dass im Mikroskopischen Bereich eine andere Physik gilt und dass diese beschreibbar ist. Daraufhin sind alle jungen talentierten Physiker zu Bohr geströmt und innerhalb weniger Jahre (1925) war die Quantenmechanik aus dem Boden gestampft. Damit war das alte Modell natürlich passe.
Es hat sich aber in der Schule erstaunlich lange gehalten und es soll immer noch Lehrer geben die diesen Dinosaurier unterrichten.

Physik ist eine beobachtende Wissenschaft, die Mathematik macht sie zu kleinlich!
Das Planksche Wirkungsquantum wurde nicht errechnet, sondern physikalisch festgestellt!

Streng genommen wurde es von einem der Mathematischen Physik sehr zugewandten Max Planck einfach postuliert um die Experimente zu erklären, nach dem die Experimentelle Zunft dem Problem jahrelang ziemlich Hilflos gegenüber stand.

OK, dann habt Ihr damals aber eine Oberfläche betrachtet, ich meine die Struktur innerhalb eines Körpers (Metalles).

Uwebus hatte einige sehr unrealistische Annahmen zu Elektronen an Oberflächen von Metallen gemacht.
Die Oberflächen bzw. Grenzflächenphysik ist ein Eigenständiges Gebiet der Festkörperphysik und das Verhalten von Oberflächen unterscheidet sich z.T. sehr deutlich vom inneren des Festkörpers.

Irgendwo habe ich gelesen, dass das BOHRsche Atommodell (1913) nicht ganz so einfach ist, wie wir es noch Ende 60er Jahre gelernt haben. Die wesentlichen Bewegungen innerhalb eines einigermassen homogenen Körpers sind aber schon so, oder gilt das nicht mehr?

Das Bohrsche Modell war auch in den 60er Jahren sehr lange als falsch bekannt.
Ich habe in einem Festkörper eine sehr hohe Anzahl von Freiheitsgraden (weil ich in der Größenordnung immer bei 10^23 Teilchen bin)
Ich habe also massive Wechselwirkungen zwischen meinen Teilchen, weshalb ich keine Einzelnen Teilchen mehr beschreibe, sondern ein kollektiv.
Das ist eine typische Aufgabe der Quantenfeldtheorie

Ein Einfaches Modell für ein Quasifreies Elektron in einem Festkörper, währe es ein periodisches Potential anzunehmen. Wenn ich mir die allgemeine Struktur von Lösungen der Schrödingergleichung (also nichtrelativistisch ohne Spin) in Periodischen Potentialen anschaue, dann bekomme ich die z.B. aus der Halbleiterphysik bekannte Bandstruktur für die Energieeigenwerte, also Bereiche mit Quasikontinuierlichen Lösungen, unterbrochen durch Energiebereiche ohne Lösung. Die genaue Struktur hängt dann vom Potential ab.

Das ist aber eine starke Vereinfachung. Ich habe nur ein Elektron (bzw. viel nicht Wechselwirkende) und mein Gitter ist bloß ein starrer Potentialhintergrund.

Ich kann also anfangen, Gitterschwingungen zu betrachten. Die Einfachste Möglichkeit das zu tun, ist die Annahme eines Masse Federmodels, also einer Matraze. Ich habe also ein Feld von Massen die in guter Näherung durch harmonische Oszillatoren Wechselwirken. Jede Menge harmonische Oszillatoren? Das ist bekannt, ihre Quantisierung führt auf eine Quantenfeldtheorie für Gitterschwingungen. Unser Feld erzeugt und vernichtet Schallteilchen. Unser Vakuum ist kein leerer Raum, sondern der Grundzustand unserer Matratze. Meine Teilchen, eine Art massive Photonen sind Schallquanten, Phononen. Ich habe nur nach Schema F mein Programm durchgezogen und kann nun den ganzen Apparat der QFT anwenden.
Nun kann man einwenden, dass das mit den harmonischen Oszillatoren ja gemogelt war. Vielleicht ist die Wechselwirkung zwischen unseren Gitteratomen ja eine andere.
Da kommt uns wieder unsere Quantenfeldtheorie zur Hilfe. Wir können unsere Abweichung in der Wechselwirkung nämlich als Wechselwirkungsterm in die Störungsrechnung mit einbringen. Im Gegensatz zu Photonen sind unsere Phononen dann selbstwechselwirkend.

Ich habe also in meinem Diagram ein Dreibein, das die Wechselwirkung zwischen drei Phononen beschreibt. Z.B. kann ich zwei Niederenergetische Phononen erzeugen und dafür ein hochenergetisches vernichten.

Zurück zu unseren Elektronen. Die Elektronen die uns für gewöhnlich (z.B. in der Halbleiterphysik interessieren) sind die Elektronen im Leitungsband. Um ein Elektron ins Leitungsband zu heben muss ich ihm die nötige Energie zur Verfügung stellen um die Bandlücke zwischen seinem gefüllten Band (in dem es sich nicht bewegen und daher auch nicht Strom leiten kann) und dem Leitungsband zu überwinden. In dem ursprünglichen Band bleibt eine Lücke zurück, ein Loch, das sich wie eine Positive Ladung verhält.
Ich erzeuge also im Grunde genommen ein Teilchen – Antiteilchen Paar, ein Elektron Loch Paar.
Mein Elektron – Loch Feld wechselwirkt mit dem Maxwellfeld (also mit Photonen; Solarzelle, Leuchtdiode, ...) aber auch mit dem Phononenfeld.
Ich habe also eine Art QED mit einem zusätzlichen Phononenfeld, das nicht nur mit den anderen Feldern, sondern auch mit sich selbst wechselwirkt.
Wenn meine Elektronen stark an die rümpfe gebunden sind, dann können sie nur noch über ihren Spin Wechselwirken und ich betrachte ein Spinproblem, das z.B. Magnetisierung erklärt (das kann ich mit statistischer Physik beschreiben, aber auch als Quantenfeldtheorie).
...

Beliebig kompliziertere Modelle sind denkbar, z.B. Selbstwechselwirkende Elektronen, kompliziertere Gitterstrukturen, neue Quasiteilchen wie Cooperpaare, ...
Etwa 50% aller Physiker machen Festkörperphysik. Entsprechend viel Material gibt es sowohl theoretisch als auch experimentell (es stecken schließlich auch massive wirtschaftliche Interessen dahinter, was in der Teilchenphysik weniger der Fall ist).

Das Bohr’sche Modell scheitert schon am Atomaren Wasserstoff. Einfache Emissions - und Absorptionsspektren liefert es noch, aber schon bei einer lange vor Erstellung des Modells bekannten Niveauaufsplittung durch äußere Felder (z.B. Peter Zeeman 1896 in Leiden) versagt es. Wasserstoff kommt üblicherweise in Molekularer Form vor. Das Bohr’sche Modell macht keine Aussagen zur Molekülbildung, von höheren Ordnungszahlen und der Bildung von Festkörpern einmal ganz zu schweigen.

Es bleibt beim Objekt Vakuumzustand: Es ist ein Zustand eines Quantenfeldes und elektromagnetischen Feldes, das quantisiert ist. Das wäre dann ganz grob also gleichzusetzen.

Das war vielleicht etwas ungenau ausgedrückt. Der Vakuumzustand ist der Grundzustand eines Quantisierten Feldes.
In der QED ist das Elektromagnetische Feld ein Quantisiertes Feld.Es hat also einen Grundzustand, einen Vakuumzustand.
Andere Quantisierte Felder z.B. ein Photonenfeld haben auch einen Grundzustand.
Die Grundzustände sind andere, da ich andere Grundmoden habe.
Zur Unterscheidung kann ich z.B. von einem Photonischen Vakuum (also den Grundzustand meines Elektromagnetischen Feldes) reden.

Es hängt also davon ab, welches Modell ich betrachte. Gitterschwingungen in einem Festkörper werden nicht merklich durch sie starke Wechselwirkung oder die Gravitation beeinflusst. In meiner Lagrangedichte oder meiner Hamiltondichte brauche ich diese Felder also nicht zu berücksichtigen.

In meinem Spielzeugmodell für den Casimireffekt war die Elektromagnetische Kraft die bedeutende (wie mehr oder weniger für alle Prozesse auf diesem Planeten, also z.B. alle chemischen Bindungen und Reaktionen und damit alles Leben).
Die Gravitation ist sehr schwach, die schwache Wechselwirkung ebenfalls und nur an wenigen lokalen Prozessen beteiligt (denn ihre Austauschteilchen sind sehr massiv und haben eine kurze Lebensdauer). Sonst hätte man diese Wechselwirkung nicht erst so spät entdeckt.
Die Starke Wechselwirkung ist hat Selbstwechselwirkende Ausstauschteilchen und ist daher sehr kurzreichweitig (es hat auch noch niemand ein Gluon gesehen, im Gegensatz zu Photonen oder W und Z – Bosonen) und freie Quarks gibt es nur kurzfristig bei extrem hohen Energien.

Das ist der Grund warum unsere Physik vor Endeckung der starken und schwachen kraft schon sehr genau war. Wir haben eine sehr starke Separation von Längen - , Zeit – und Energieskalen.
Ich brauche für einen Billiardstoss kein Standardmodell. Ich brauche die Mechanik als universellen Apparat zur Beschreibung von Bewegungen aufgrund von Kräften. Und meine Kraft ist die Elektromagnetische, die ich aber nur global z.B. als Reibungsterm betrachte.

[Querkopf]

Das mag ja ebenfalls zutreffen, aber das heißt doch nicht, daß nicht auch hier freie Elektronen eine Rolle spielen können. Ich habe etwas gegen “Verbote“ in der Natur, denn Verbote sind eine menschliche Erfindung.
http://de.wikipedia.org/wiki/Casimir-Effekt
“Damit sind zwischen den Platten bestimmte Zustände virtueller Teilchen verboten, die außerhalb angenommen werden können. Alle erlaubten virtuellen Teilchen werden aber an den Platten reflektiert.“

Da stellt sich keiner hin und sagt den Teilchen das sie nicht erlaubt sind, sondern aufgrund der Randbedingungen ergeben sich innerhalb des Kondensators (wobei man in der Praxis Kugeln und keine Plattenkondensatoren hat, ist allerdings schwieriger zu rechen) andere Lösungen als außerhalb. Der deutschsprachige Wiki Artikel ist halt einfach nicht besonders.

Ich nehme an, daß irgendwann mal ein Physiker, der auch ein wenig philosophisch denkt, sich zu fragen beginnt, was eigentlich der Raum zwischen den Gestirnen ist, welche Funktion er ausübt, und dann wird in der Physik ein Umdenken einsetzen. Solange jedoch das Vakuum lediglich als Aufbewahrungsbehälter für Galaxien betrachtet wird, solange werden die Urknallideologen die Weltsicht bestimmen.

Du überschätzt die Bedeutung und das Interesse der Physikergemeinde für Kosmologie und Astrophysik. Wenn ich mich für den Phasenübergang eines Suprafluids interessiere, dann ist mir der Raum zwischen den Sternen herzlich egal (trotzdem habe ich einen Vakuumzustand).

Was mich eben wundert sind die Werte, die sich da ergeben zwischen Modell und Empirie; querbeet durch diverse Gebiete der Physik komme ich zu zahlenmäßigen Übereinstimmungen mit deren empirischen Werten, von der Gravitation über die Coulombkraft zu den Atom- und Molekülgrößen einschließlich Bindungsabständen, Planck-Konstante, c=(fast)konstant, Zeitdilatation etc., und das alles mit einer einzigen Annahme, wobei ich sogar noch Erklärungen liefere, die in der Physik noch ausstehen.

Dann schau dir doch mal deine Zahlen an. Nehmen wir einmal an, die von dir angegebenen Zahlen für den Casimireffekt wären richtig.
Experimentell ist das schwierig zu messen, man hat etwa 5%, im klassischen Fall (also zwei Kondensatorplatten) etwa 15% Abweichung zwischen Theorie und Experiment.
Dein Bestes Ergebnis (Titan) weicht 15 Prozent von der Theorie ab. Ok, dass klingt nicht schlecht. Dein zweitbestes Ergebnis ist Vanadium mit 29% Abweichung.

Schauen wir uns aber einmal klassische Materialien im Mikroskopische Bereich an (z.B. in der Halbleiterindustrie) Al (früher die Leiterbahnen auf Prozessoren), Cu (heute das Material der Wahl) und Gold (für Spezialanwendungen, Raumfahrt und Forschung).
Cu: 69% Abweichung
Al: fast 500% Abweichung
Au: 760% Abweichung

Gold und Aluminium wurden übrigens auch in den bisher besten Experimenten genutzt: http://www.casimir.rl.ac.uk/measurements.htm

Nun, ich bin nicht wirklich überzeugt. Dazu kommen haarsträubende annahmen zur Oberflächenstruktur von Festkörpern und ich verstehe immer noch nicht, wie du in einem symmetrischen System eine anziehende Kraft durch die Wechselwirkung gleichgeladener Ladungsträger erhältst. Vielleicht solltest du deine Rechnungen einmal offenlegen (und dabei eine Formeleditor verwenden, denn deine Gleichungen sind nahezu unlesbar).

Ich kann es nicht beweisen, aber ich bin sicher recht zu haben mit der Aussage:
Eine endliche Energiemenge kann nur endliche Werte in Ausdehnung und Dichte annehmen.

Ich bin mir sicher es gibt grüne Männchen auf dem Mars, ich kann’s bloß nicht beweisen.
Ich musste im ersten Semester fast jede Woche beweisen (und zwar wirklich mathematisch beweisen) das eine unendliche Reihe gegen einen endlichen wert konvergiert. Und entsprechendes macht man dann später auch für Integrale.
Nimm eine homogen geladene Kugel. Errechne die Energie des äußeren Feldes durch Integration bis ins unendliche und du wirst immer eine endliche Energiedichte und eine endliche Energie erhalten, allerdings bei unendlicher Ausdehnung des Feldes.