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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 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 Ausbreigung 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



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




Photonen werden einerseits als eng begrenzte, lokale Wellenpakete modelliert. Andererseits gibt es auch die Vorstellung, dass Photonen als Wellen weite Raumbereiche einnehmen. Beide Bilder sind Teil eines größeren Bildes. Oleg Alexandrov Inductiveload