Wellenfunktion des Photon


Licht ist eines der wichtigsten physikalischen Phänomene des Alltags. Auch die speziellen Eigenschaften des Lasers erobern mehr und mehr den Alltag. Hier können wir Fragen zum Licht erläutern.

Photon

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Beitrag Mo 27. Dez 2010, 22:16

Wellenfunktion des Photon

Das Photonen wellencharakter haben sei ja hinlänglich bewiesen. Wie kann ich mir diese Welle vorstellen? Hat dieser Wellencharakter etwas mit der Frequenz zu tun.
Beim Doppelspaltexperiment wird nachgewiesen, dass sich nicht nur Photonenpakete wie Wellen verhalten, sondern auch einzellne Photonen. Ja sogar Kohlenstoffmoleküle haben Wellencharakter?
Photonen bewegen sich im Vakum mit Lichtgeschwindigkeit. Jedes Photon hat noch einen Spin (eine Drehung um die eigene Achse). Und wie stelle ich mir nun die Welle bildhaft vor?
Ist Photon gleich Photon? Photonen haben unterschiedliche Energien. Nach der Formel E=h*f ist dafür nur die Frequenz verantwortlich.
Und warum soll kein Teilchen mit einer Ruhemasse > 0 auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können?
Ich weiß, dass ich nichts weiß. Ich habe aber jeden Tag die Chance etwas klüger zu werden. Ich bin bereit dazu.

Pi-Meson

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Beitrag Di 28. Dez 2010, 10:36

Re: Wellenfunktion des Photon

photonIII hat geschrieben:Das Photonen wellencharakter haben sei ja hinlänglich bewiesen. Wie kann ich mir diese Welle vorstellen? Hat dieser Wellencharakter etwas mit der Frequenz zu tun.
Beim Doppelspaltexperiment wird nachgewiesen, dass sich nicht nur Photonenpakete wie Wellen verhalten, sondern auch einzellne Photonen.


Die Masselosigkeit des Photons macht die Diskussion seiner Wellenfunktion zu einem schwierigen Thema. Eine "gewöhnliche Wellenfunktion" (d.h. eine Wellenfunktion, deren Betragsquadrat eine Wahrscheinlichkeitsdichte im Ortsraum ergibt) existiert für das Photon wohl nicht. Nach der Quantenmechanik würde dann eine Ortsmessung an einem Photon dessen Wellenfunktion zu einem scharfen Peak am gemessenen Ort kollabieren lassen, was unmittelbar im Widerspruch zu den Eigenschaften eines Photons stünde (eine unmittelbar folgende Messung würde wieder diesen Ort ergeben, was der beobachteten Konstanz der Lichtgeschwindigkeit widerspräche).

photonIII hat geschrieben:Und wie stelle ich mir nun die Welle bildhaft vor?


Denk einfach an elektromagnetische Wellen - das sind letztlich Photonen. Nur: im einen Fall geht es um Wahrscheinlichkeiten, ein Photon zu finden - im anderen Fall um Feldstärken. Ein Zusammenhang ist auf jeden Fall da.
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langlebiges Kaon

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Beitrag Di 28. Dez 2010, 13:20

Re: Wellenfunktion des Photon

Hallo,

Hawkwind hat geschrieben: Eine "gewöhnliche Wellenfunktion" (d.h. eine Wellenfunktion, deren Betragsquadrat eine Wahrscheinlichkeitsdichte im Ortsraum ergibt) existiert für das Photon wohl nicht.


Doch, das Betragsquadrat der elektromagnetischen Welle ist die Wahrscheinlichkeitsdichte, ein Photon zu detektieren. Bei der Detektion wird das Photon vernichtet, die Amplitude der Welle nimmt entsprechend ab oder die Welle wird, wenn es ein Ein-Photonen-Zustand war, ausgelöscht. Tatsächlich finde ich, dass gerade die Wellenfunktion der Photons besonders anschaulich ist, weil ihre beiden Komponenten unabhängig messbar sind.

Gruß,
Joachim

Pi-Meson

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Beitrag Di 28. Dez 2010, 15:13

Re: Wellenfunktion des Photon

Hallo Joachim,

ich spreche von Problemen wie sie wohl erstmals in
T.D. Newton and E.P. Wigner, Rev. Mod. Phys. 21, 400 (1949)
aufgezeigt wurden.

Ein neuere Diskussion, die auch als kostenloser Download erhältlich ist:
J. E. Sipe, Phys. Rev. A 52, 1875–1883 (1995) : "Photon wave functions";

Download: http://www.physics.utoronto.ca/~sipegro ... 2_1875.pdf

Sipe hat geschrieben:Also associated with the absence of rest mass is the lack of photon localizability ...: there is no probability density for the position of the photon and thus a position-representation wave function cannot be consistently introduced.


Das, was man so gewöhnlich als Wellenfunktion bezeichnet, ist ja die Zustandsfunktion in der Ortsdarstellung; diese macht beim Photon Probleme.

Gruß,
Hawkwind

Nachtrag: Gewöhnlich liest man dann, dass die Wellenfunktion nicht existiere. Das hatte ich noch so im Gedächtnis.
Vielleicht hast du aber doch recht: genau genommen, haben Newton und Wigner anscheinend nur gezeigt, dass kein Ortsoperator für die Wellenfunktion des Photons definierbar ist.
Chan et al., Phys. Rev. Lett. 88, 100402 (2002): "Localized Single-Photon Wave Functions in Free Space"
http://www.optics.rochester.edu/~stroud ... URsub1.pdf

Photon

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Beitrag Di 28. Dez 2010, 17:10

Re: Wellenfunktion des Photon

Bild
http://de.wikipedia.org/wiki/Polarisation
Ist diese Grafik aus wikipedia zutreffend?
Das würde aber auch heißen, dass das Photon in seiner linearen Ausbreitung eine längere wegstrecke als 300.000 km/s zurücklegt?
Und dann kommt noch der Spin dazu?
Photonen sind eigentlich reine Energieelemente, die einfach keine Ruhe geben können. Sind sie im Ruhezustand, sind sie als selbständiges Teilchen nicht mehr vorhanden haben aber die Energie eines anderen Teilchens (Elektron) erhöht und umgekehrt wird ein Photon emmitiert reduziert sich die Energie des Elektrons nicht aber dessen Masse oder läst sich das nicht feststellen?
Ich weiß, dass ich nichts weiß. Ich habe aber jeden Tag die Chance etwas klüger zu werden. Ich bin bereit dazu.

Positron

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Beitrag Di 28. Dez 2010, 22:17

Re: Wellenfunktion des Photon

photonIII hat geschrieben:Ist diese Grafik aus wikipedia zutreffend?

Hallo photonIII,

das Bild zeigt keine mechanische Bewegung sondern die Situation der Feldinduktion. Die Ausbreitung selbst erfolgt nur auf dem Impulsvektor. Die Grafik zeigt genau das, wie ich es bisher vertsehe.

c ergibt sich nicht auf einem vermeindlich langen Spiralweg. Sondern die Induktionsfrequenz basiert auf dem Impuls in Relation zum Wellenwiderstand des Vakuums. Auf der Relation ergibt sich dann auch c const für beliebige Energie.

Photon

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Beitrag Fr 31. Dez 2010, 11:57

Re: Wellenfunktion des Photon

c ergibt sich nicht auf einem vermeindlich langen Spiralweg. Sondern die Induktionsfrequenz basiert auf dem Impuls in Relation zum Wellenwiderstand des Vakuums.

Wenn ein einzellnes Photon sich in einem solchen Spiralweg (Wellenbewegung) bewegt und c sich in der geraden ergibt so ist die Geschwindigkeit je nach Energie (kurze bzw. lange Welle) entsprechend höher als c. Von einem Impuls wird doch nur gesprochen wenn ich eine Masse habe oder? Das Photon bewegt sich "immer" mit c. Das heist es bedarf keiner Beschleunigung da ja die Masse gleich 0 ist.
Für mich ist diese teilcheneigenschaft des Photons so schwer zu verstehen. Denn es ist ja auch möglich ein Photon hoher Energie in zwei verschränkte Photonen niedrigerer Energie zu teilen und diese noch einmal zu teilen.
Das Photon verhält sich eher wie ein Wassertropfen, mit entsprechender Geschwindigkeit wirkt dieser auch wie ein festes Teilchen.
Ich weiß, dass ich nichts weiß. Ich habe aber jeden Tag die Chance etwas klüger zu werden. Ich bin bereit dazu.

Positron

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Beitrag Fr 31. Dez 2010, 14:39

Re: Wellenfunktion des Photon

photonIII hat geschrieben:Wenn ein einzellnes Photon sich in einem solchen Spiralweg (Wellenbewegung) bewegt und c sich in der geraden ergibt so ist die Geschwindigkeit je nach Energie (kurze bzw. lange Welle) entsprechend höher als c.

Wenn mein Auto mit 400 km/h über die Rennpiste düst, und der Lüfter dreht mit 400 U/min, mit welcher Geschwindigkeit bewegt sich dann ein ein markierter Punkt auf dem Keilriehmen? Du hast es mit 2 um 90° versetzten Bewegungs-Vektoren zu tun. Bzw. der Drall eines Geschosses erhöht ja auch nicht dessen Geschwindigkeit. Die beiden Vektor-Geschwindigkeiten bestehen unabhängig voneinander.

photonIII hat geschrieben:Von einem Impuls wird doch nur gesprochen wenn ich eine Masse habe oder?

Die Energie eines beliebigen Objektes steckt in dessen Masse und Impuls. Im Photon liegt die gesamte Energie als Impuls vor. Ohne Impuls ist nur das vietuelle Feld, das Quantenvakuum. Jede reale Existenz und auch eine innerhalb der Unschärfe real werdende Fluktuation ist ohne Impuls nicht möglich (Impulserhaltung. Aus dem Nichts, als Nichts, in das Nichts ist nicht möglich).

Das Elektron nahm bei der Imission eines Photons dessen Impuls auf und gibt ihn an das gesamte Atom weiter. Bei der Emission gibt es dann den Impuls wieder ab und nimmt den Gegenimpuls auf, den es wiederum an das ganze Atom weiter vermittelt. Das Atom schwingt und strahlt dabei recht langwelliges Infrarotlicht ab. Der Lichtdruck ist real, wird aber vom Atom nur minimal gespürt, da es ja die mehrtausendfache Energie hat. e=mc², Masse entspricht ihrem Energie-Äquavilent. Und letztlich, worauf sollte das Photon angeregt sein, wenn nicht auf dem Impuls?

photonIII hat geschrieben:Das Photon bewegt sich "immer" mit c. Das heist es bedarf keiner Beschleunigung da ja die Masse gleich 0 ist.

Ja. Die Anregung des Photons erfolgt ohne Trägheit. Es hat ja als Spin 1/2 Objekt Trägheit = 0. Das Photon hat instantan, ohne jedwede Verzögerung c.

photonIII hat geschrieben:Für mich ist diese teilcheneigenschaft des Photons so schwer zu verstehen. Denn es ist ja auch möglich ein Photon hoher Energie in zwei verschränkte Photonen niedrigerer Energie zu teilen und diese noch einmal zu teilen.

Ich versuche es abstrakt zu verstehen. So gelingt es leichter. Ein beliebiges Objekt, also auch ein Photon (als elektromagnetisches Anregungsobjekt (auf dem Anregungs-Impuls)) verkörpert stets beide dualen Eigenschaften. Letztlich entscheidet nur die Messung, wie es wahrgenommen wird. Hinter dem Einfachspalt liegt keine Zone der Selbstinterferenz (Selbstverstärkung versuns Selbstlöschung). Hinter dem Doppelspalt werden die toten Zonen der Selbstinterferenz erkennbar.

Da sich analog auch Masseobjekte mit dualer Eigenschaft zeigen, wird klar, dass es Feststoffe nach unserem klassisch natürlichen Vorstellungsbild gar nicht gibt. Energie (eine potentielle Situation) dynamisiert auf inneren Gesetzen mit Spin 1/2 als Photon oder mit Spin ungleich 1/2 als Masseobjekt. Um was es sich bei der Energie nun tatsächlich handeld, können wir nach Gödels Unvollständigkeitssatz per Grundsatz niemals erkennen. Wir erkennen nur, dass auf dem virtuellen Hintergrund Potential flukturieren kann bzw. oberhalb des Wirkungsquantums h als physikalisches Objekt vorliegt.

photonIII hat geschrieben:Das Photon verhält sich eher wie ein Wassertropfen, mit entsprechender Geschwindigkeit wirkt dieser auch wie ein festes Teilchen.

Der Vergleich gefällt. Wichtig dabei ist nur, dass es nicht stets als das gleiche (optisch Wasser) vorliegt sondern sondern bei seiner Bewegung permanent zwischen dem elektrischen und dem magnetischen Feld induziert. Es regt sich auf seinem Weg impulsbasiert auf der permanenten gegenseitigen Feldinduktion (E- und M-Feld) selbst an. So ist auch gut nachvollziehbar, dass es nur auf dem Vakuum als Feldanregung existiert und als solche offenbar unendliche Reichweite hat. Es koppelt nicht auf dem Hintergrund sondern verhält sich soloton.

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