Photonenwelle
Quantenphysik
Basiswissen
Dieser Artikel behandelt die Verbindung von Teilchen- und Welleneigenschaften von Licht. Das Wort Photon steht heute für die untrennbare Verbindung von Teilchen- und des Welleneigenschaften von Licht. Teilchenartig ist vor allem die enge räumliche Begrenzung der Messbarkeit kleinster Bausteine von Licht. Der Wellencharakter macht sich unter anderem über eine große räumliche Ausdehnung der Sensibilität von Photonen bemerkbar.
Einführung: zum Begriff des Photons
Was ist Licht? Seit dem 17ten Jahrhundert wurden in der Physik vor allem zwei Theorien ernsthaft betrachtet. Isaac Newton zum Beispiel gehörte zu jenen Physikern, die sich Licht aus kleinsten Teilchen aufgebaut vorstellten. Newton nannte diese Teilchen "rays" oder "bodies"[3]. Später nannte man die hypothetischen Lichtteilchen auch Korpuskel[7][10]. Im 19ten Jahrhundert bezeichnete man die Theorie von Licht aus Teilchen auch als Emanationstheorie[8]. Im Jahr 1905 prägte Albert Einstein dann den Begriff des Lichtquants[14]. Seit den späten 1920er Jahren nannte man das Lichtteilchen dann zunehmend Photon[15]. Das Photon steht für eine enge Verbindung von Teilchen- und Welleneigenschaften des Lichts. Siehe auch Photon ↗
Das Teilchenartige an einem Photon
Die Idee, dass Licht aus kleinstens Teilchen besteht wurde unter anderem von Isaac Newton (1642 bis 1727) vertreten. Als Argument führte er an, dass sich Licht auf einer geraden Bahn ausbreite[3]. Verschiedene Farben erklärte er mit unterschiedlichen Größen dieser Lichtteilchen[4]. Auch der photoelektrische Effekt gilt als Indiz für die Teilchennatur von Licht[16]. Der Physiker Richard Feynman verwies vor allem auf die Phänomene um sehr schwache Lichtquellen: wenn man die Intensität nur weit genug absenkt, wird Licht stets klumpenartig (lumpy) erscheinen[17][23]. Siehe mehr dazu im Artikel zum Licht als Teilchen ↗
Das Wellenartige an Licht
Das Wellenartige an Licht zeigt sich an zwei zunächst ganz getrennter Beobachtungen: a) wo bei Interferenz helle und dunkle Stellen auftreten lässt sich mit denselben Formeln erklären, die man auch für Interferenz von Wasserwellen verwenden kann. Dabei denkt man sich Licht nicht als Teilchen, sondern als wirklich ganz im Raum[25] sich verbreitende Wellen. Historisch sprach man hier von der Undulationstheorie[18], heute von der Wellenoptik[19]. Und b) das zweite, und damit nicht direkt zusammehängende Wellenphänomen von Licht ist die Idee eines eng lokalisierten Wellenpakets, das sich durch den Raum ausbreitet[20]. Siehe auch Licht als Welle ↗
Welle und Teilchen: Photonenwellen aus zwei Wellenarten
Der englische Physiker Geoffrey Hunter (1934 bis 2008) erstellte ein mathematisches Modell einer Welle in dem ein inneres Wellenpaket das Teilchenartige der Welle modellierte. Die räumlich weit ausgedehnte Welle, welche etwa zur Berechnung von Interferenzerscheinungen genutzt werden kann, nannte er evaneszente (vergängliche) Welle[13]. Insbesondere klingt die evaneszente Welle mit zunehmender Ausbreitung immer weiter Richtung 0 ab (daher der Name). Siehe auch Evaneszenz ↗
Ein Wellenmodell ohne Wellen: Feynmans Quantenpfade
Ganz ohne jedes Wellenmodell kommt das Modell der Quantenpfade von Photonen aus[21]. Quantenpfade sind eine mathematische Ausdrucksform der sogenannten Theorie der Quantenlektrodynamik[22], die heute als allgemein anerkannt gilt. Bei Quantenpfaden kann auf jede Vorstellung von Wellen verzichtet werden, wobei jedoch alle Vorhersagen einer Wellentheorie auch aus der Idee der Quantenpfade hervorgehen. Man sagt, die zwei Darstellungsormen seien äquivalent. Siehe auch Quantenpfad ↗
Hintergrund: anschauliche Vorstellungen einer Welle
- Aus dem Alltag sind Wellen vor allem als Phänomen auf Wasseroberflächen bekannt.
- Solche Wellen hat man schon früh in der Geschichte der Physik beobachtet und untersucht[1].
- Dabei wurden einige grundlegende Prinzipien von Wasserwellen an Oberflächen herausgearbeitet:
- Wasserwellen haben eine Amplitude (maximale Auslenkung von der ruhigen Oberfläche)
- Wasserwellen haben eine Wellenlänge (von Wellenberg zu Wellenberg).
- Wasserwellen können sich gegenseitig durchdringen oder durchkreuzen.
- Nach einer Durchdringung laufen die Wellen weiter wie vorher.
- Das ist das Prinzip der ungestörten Überlagerung ↗
- Wo Wellenberg auf Wellenberg trifft, addieren sich die Höhen zu einem noch höheren Berg.
- Wo Wellental auf Wellental trifft, addieren sich die Tiefen zu einem noch tieferen Tal.
- Wo Wellental auf Wellenberg trifft (beide gleich groß), löschen sich die beiden aus (keine Auslenkung).
- Dazwischen sind alle Zwischenstufen möglich. Das ist das Prinzip der Interferenz ↗
- Man kann Wasserwellen einigermaßen gut dadurch modellieren, dass man einzelne Wasserteilchen ...
- senkrecht auf und ab schwingen lässt. Jedes Wasserteilchen ist dann ein Oszillator ↗
- Es wird dabei durch die Welle alleine kein Impuls in Bewegungsrichtung übertragen.
- Wenn eine Wasserwelle auf ein Hindernis in der Oberfläche trifft, ...
- kann es dieses Hindernis mit einem bestimmten Winkel umrunden.
- Das ist das Prinzip der Beugung ↗
Ontologie
Die hier vorgestellten Konzepte zur Photonenwelle halten ständig die Frage wach, was denn nun Licht ist. Physiker weichen dieser Frage oft aus, indem sie sich mit Modellen begnügen, von denen sie gar nicht erst fordern, dass sie für das wirkliche Sein einer Sache stehen. Physiker sind oft dann zufrieden, wenn die Modelle bestimmte Versuchsergebnisse oder Beobachtungstatsachen erfolgreich vorhersagen können[24]. Wer die Frage nach dem Sein einer Sache, ihrem Wesen also, ernsthaft beantworten möchte, betritt damit ein Gebiet der Philosophie namens Ontologie ↗
Fußnoten
- [1] George Biddell Airy: On tides and waves, Encyclopaedia Metropolitana, Vol. 5 London: B. Fellowes, 241–396. 1845.
- [2] Ein Photon hat eine endliche Größe, ist aber mit einem potentiell unendlich großen Wellenbereich umgeben: Geoffrey Hunter: Einstein’s Photon Concept Quantified by the Bohr Model of the Photon. York University, Toronto, Ontario, Canada. arXiv:quant-ph/0506231v1 28 Jun 2005.
- [3] Newton beschreibt Licht eindeutig als Teilchen (bodies): "Are not the Rays of Light very small Bodies emitted from shining Substances? For such Bodies will pass through uniform Mediums in right Lines without bending into the Shadow, which is the Nature of the Rays of Light." In: Isaac Newton: OPTICKS: OR, A TREATISE OF THE Reflections, Refractions, Inflections and colours OF LIGHT. The FOURTH EDITION, corrected. By Sir ISAAC NEWTON, Knt. LONDON: Printed for WILLIAM INNYS at the West-End of St. Paul's. MDCCXXX (1730). Siehe auch Korpuskeltheorie ↗
- [4] Newton sieht Farben als Effekte unterschiedlich großer Lichtteile (rays of light): "Nothing more is requisite for producing all the variety of Colours, and degrees of Refrangibility, than that the Rays of Light be Bodies of different Sizes, the least of which may take violet the weakest and darkest of the Colours, and be more easily diverted by refracting Surfaces from the right Course." In: Isaac Newton: OPTICKS: OR, A TREATISE OF THE Reflections, Refractions, Inflections and colours OF LIGHT. The FOURTH EDITION, corrected. By Sir ISAAC NEWTON, Knt. LONDON: Printed for WILLIAM INNYS at the West-End of St. Paul's. MDCCXXX (1730). Siehe auch Farbwahrnehmung ↗
- [5] Francesco Maria Grimaldi: Physicomathesis de lumine, coloribus, et iride, aliisque annexis, Bologna 1665. Siehe auch Francesco Maria Grimaldi ↗
- [6] Christiaan Huygens: Traite de la Lumiere | Ou sont Expliquees les causes de ce qui luy arrive dans la Reflexion, & dans la Refraction. Et particulierement dans l'etrange Refraction du Cristal d'Islande. Veröffentlicht in Leiden im Jahr 1690. Siehe auch Christiaan Huygens ↗
- [7] 1923, Newton Idee von Licht aus Korpuskeln: "Der große Newton hielt die Lichtstrahlen für Körperchen und sein Ansehen hat die Korpuskular-Theorie bis auf Eulers Zeit gehalten." In: Mauthner, Fritz: Wörterbuch der Philosophie. Leipzig 2 1923, Band 3, S. 436-497. Online: http://www.zeno.org/nid/2000618183X
- [8] In der Physik ist die "Emanationstheorie die Newtonsche Hypothese über die Entstehung des Lichts, daß es ein wirklicher Ausfluß einer höchst zarten Materie von den Licht erregenden Körpern sei, s. Licht." In: Pierer's Universal-Lexikon, Band 5. Altenburg 1858, S. 666. Online: http://www.zeno.org/nid/20009855386
- [9] Der Physiker Richard Feynman verdeutlicht den Dualismus von Wellen- und Teilchenmodell am Beispiel von Elektronen. Was er für Elektronen schreibt, gilt sinngemäß auch für Photonen. Feynman weist zunächst darauf hin, dass Elektronen stets nur in Klumpen (lumps) beobachtet werden: "We conclude, therefore, that whatever arrives at the backstop arrives in 'lumps.' All the 'lumps' are the same size: only whole 'lumps' arrive, and they arrive one at a time at the backstop. We shall say: Electrons always arrive in identical lumps." Wo sie in Experimenten gemessen werden, wird jedoch von Wellengleichungen bestimmt: "We conclude the following: The electrons arrive in lumps, like particles, and the probability of arrival of these lumps is distributed like the distribution of intensity of a wave. It is in this sense that an electron behaves sometimes like a particle and sometimes like a wave.” In: The Feynman Lectures on Physics, Volume I. Mainly mechanics, radiation, and heat. Feynman • Leighton • Sands. Dort das Kapitel 37: Quantum behaviour. Siehe auch Materiewelle ↗
- [10] Richard Feynman Physics Lecture 01 - Photons, Corpuscles of Light. Douglas Robb Memorial Lecture. 1979. University of Auckland. New Zealand. In dieser Vorlesung betont Feynman ausdrücklich, dass er Licht als ein Teilchen betrachtet. Was andere Wissenschaftler über Wellen modellieren, stellt er mathematisch mit Hilfe seiner sogenannten Quantenpfade dar. Online: https://www.youtube.com/watch?v=EyssfKRsgMU&ab_channel=Sk%C3%A9pseis
- [11] Licht im Modell einer Welle benötigt ein Medium, in dem sich eine Welle ausbreitete. Eine Wasserwelle benötigt Wasser als Medium, eine Lichtwelle benötigt den sogenannten Lichtäther als Medium. Jeder Versuch, einen solchen Lichtäther nachzuweisen schlug bisher jedoch fehl. Ein großes Problem der Wellentheorie des Lichts war es, ein passendes Medium für Licht zu finden. Das Experimentum crucis dazu war das Michelson-Morley-Experiment ↗
- [12] Eine reine Welle überträgt keinen mechanischen Impuls. Wenn Licht eine Welle wäre, dürfte man mit Lichtwellen keinen Impuls übertragen können. Aber genau das ist möglich. Siehe dazu den Artikel zum Photonenimpuls ↗
- [13] Ein Photon als Wellenpaket wird mit einer evaneszenten Welle um das Photon herum modelliert: Geoffrey Hunter (1934 bis 2008), Marian Kowalski, Camil Alexandrescu: Einstein’s Photon Concept Quantified by the Bohr Model of the Photon. York University, Toronto, Ontario, Canada. arXiv:quant-ph/0506231v1 28 Jun 2005.
- [14] Albert Einstein: Ueber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 133.
- [15] Das Wort Photon wurde spätestens seit dem Jahr 1916 genutzt, hat sich aber in seiner heutigen Bedeutung erst seit den späteren 1920er Jahren verbreitet. In: Helge Kragh: Photon: New light on an old name. 2014. Dort heißt es: "Ever since the late 1920s, to physicists the term 'photon' has just been an apt synonym for the light quantum that Einstein introduced in 1905. Although 'light quantum' is still in use, today it is far more common to speak and write about 'photon.'" Online: : https://arxiv.org/abs/1401.0293
- [16] Dass die Photoemission (äußerer photoelektrischer Effekt) zur Annahme von Licht als Teilchen drängt, schrieb Albert Einstein im Jahr 1905: "Es scheint mir nun in der Tat, daß die Beobachtungen über die 'schwarze Strahlung', Photoluminiszenz, die Erzeugung von Kathodenstrahlen durch ultraviolettes Licht und andere die Erzeugung bez. Verwandlung des Lichtes betreffende Erscheinungsgruppen besser verständlich erscheinen unter der Annahme, daß die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raume verteilt sei. Nach der hier ins Auge zu fassenden Annahme ist bei Ausbreitung eines von einem Punkte ausgehenden Lichtstrahles die Energie nicht kontinuierlich auf größer und größer werdenbde Räume verteilt, sondern es besteht dieselbe aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können." Albert Einstein: Ueber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148. Dort die Seite 133. Siehe auch Photoemission ↗
- [17] Richard Feynman beschreibt auch Licht als Teilchen. Er überträgt die Beobachtungen am Doppelspaltexperiment von Elektronen auch auf Licht, wenn er schreibt: "Surely, by making the light dimmer and dimmer, eventually the wave will be weak enough that it will have a negligible effect.” O.K. Let’s try it. The first thing we observe is that the flashes of light scattered from the electrons as they pass by does not get weaker. It is always the same-sized flash. The only thing that happens as the light is made dimmer is that sometimes we hear a “click” from the detector but see no flash at all. The electron has gone by without being “seen.” What we are observing is that light also acts like electrons, we knew that it was “wavy,” but now we find that it is also “lumpy.” It always arrives—or is scattered—in lumps that we call 'photons'. As we turn down the intensity of the light source we do not change the size of the photons, only the rate at which they are emitted. That explains why, when our source is dim, some electrons get by without being seen. There did not happen to be a photon around at the time the electron went through." In: The Feynman Lectures on Physics, Volume I. Mainly mechanics, radiation, and heat. Feynman • Leighton • Sands. Dort das Kapitel 37: Quantum behaviour, Unterkapitel 37-6 Watching the Electrons.
- [18] 1911: "Undulation (lat.), Wellenbewegung; Undulationstheorie, s. Licht; undulatōrisch, wellenförmig; undulieren, sich wellenförmig bewegen." In: Brockhaus' Kleines Konversations-Lexikon, fünfte Auflage, Band 2. Leipzig 1911., S. 888. Zum historischen Hintergrund siehe auch Undulationstheorie ↗
- [19] D. Frölich: Wellenoptik. In: Litfin, G. (eds) Technische Optik in der Praxis. Springer, Berlin, Heidelberg. 1997.
- [20] "Das berühmteste Beispiel eines lokalisierten Zustands ist das Wellenpaket, dessen Zentrum und mittlerer Impuls der Bahn eines klassischen Massenpunktes folgt." In: Lokalisierung. Spektrum Lexikon der Physik. Abgerufen am 11. Dezember 2023. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/lokalisierung/9160
- [21] Auf Quantenpfaden durch das Heliumatom. Englische Originalveröffentlichung von: R. Gopal et al.: Three dimensional momentum imaging of electron wavepacket interferences in few-cycle laser pulses, Phys. Rev. Lett. 103, 053001 (2009).
- [22] Richard Feynman: QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper Verlag. 1. Auflage 1992. ISBN: 3-492-21562-9. Siehe auch QED (Feynman) ↗
- [23] "Viele Jahre nach Newton wurde mit der Wellentheorie eine vollauf befriedigende Erklärung für die partielle Reflexion des Lichts an zwei Grenzflächen gefunden, aber als man Experimente mit sehr schwachem Licht durchführte und es durch Photoelektronen-Vervielfacher schickte, brach die Wellentheorie in sich zusammen: Obwohl das Licht immer schwächer wurde, ertönten die Klicks des Photo-Multipliers weiterhin in voller Stärke - nur weniger oft. Das Licht verhielt sich wie ein Teilchen." Quelle: Richard Feynman: QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper Verlag. 1. Auflage 1992. ISBN: 3-492-21562-9. Siehe auch QED (Feynman) ↗
- [24] Wie Physiker sich auf die reine Vorhersagbarkeit beschränken und die Frage nach dem Wesen derDinge ausklammern beschrieb Richard Feynman in den 1980er Jahren so: "Auch heute haben wir noch kein wirklich brauchbares Modell zur Erklärung der partiellen Reflexion an zwei Grenzflächen. Wir begnügen uns damit, die Wahrscheinlichkeit, daß ein bestimmter Photoelektronen-Vervielfacher von einem an einer Glasscheibe reflektierten Photon getroffen wird, zu berechnen." In: Richard Feynman: QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper Verlag. 1. Auflage 1992. ISBN: 3-492-21562-9. Siehe auch QED (Feynman) ↗
- [25] Die unendliche Ausdehnung unterstreicht auch das Spektrum Lexikon der Astronomie: "Im Rahmen der klassischen Elektrodynamik ist Licht eine unendlich ausgedehnte elektromagnetische Welle, die sich auch im Vakuum ausbreiten kann." Und: "Im strengen Sinne ist dies noch kein Photon, weil es nicht diskret, sondern kontinuierlich ist." In: der Artikel Photon. Spektrum Lexikon der Astronomie. Abgerufen am 24. Mai 2024. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/photon/341