Photon ist (ist nicht) Wellenpaket

[richy]

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]

Zitat von richy

...Mit einer konvergierenden PSI Welle ?

Gruesse

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

Zitat von richy

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]

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.

Zitat von JoAx

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]

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)



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]

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]

Zitat von richy

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



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]

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 :



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]

Zitat von Hawkwind

...warum sollte ein Photon nicht zerlaufen können?

Zitat von EMI

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]

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]

Hallo Maxi,

ich will mal ein paar Antworten versuchen.

Zitat von Maxi

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.

Zitat von Maxi

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

Zitat von Maxi

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.

Zitat von Maxi

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