P 63 Das Duell der Modelle, aktualisiert 24.11.

   Teil 4: Was sind eigentlich Photonen?

 

 In diesem Abschnitt wollen wir unsere bisherigen Erkenntnisse über das Verhalten von Licht hinterfragen, insbesondere die klassischen Bilder Welle und Teilchen.

Wem dieses Kapitel auf Magen oder Psyche schlägt...schnell beruhigen, es kommt schlimmer...

9. Zwei Vorstellungen treffen aufeinander

 9.1 Licht muss eine Welle sein!

Das haben wir als eindeutig und mit großer Sicherheit kennengelernt:

Licht zeigt Interferenzeffekte, wie sie nur Wellen zeigen können (Hauptargument!). Insbesondere der berühmte Poissonsche Fleck lässt sich nur mit Beugung und Interferenz von Wellen erklären.

Andere Erscheinungen, wie Brechung, kann man ebenfalls einfach durch Welleneigenschaften erklären. Im Gegenteil, als Newton das mit einer Teilchenvorstellung versucht hat, ist er daran gescheitert.

Wir haben sogar mehr als nur Indizien für die Oszillatoren der Lichtwelle. Faraday und Kerr haben gezeigt, dass es elektrische und magnetische Felder sein müssen, die in Lichtwellen vorhanden sind.

Und aus Maxwells Gleichungen kann man alle Eigenschaften dieser Lichtwellen als elektromagnetische Wellen herleiten.

Also: Ganz klar! Licht ist eine Wellenerscheinung.

9.2 Licht kann keine Welle sein!

Denn sosnt würde keine Solarzelle funktionieren, kein Belichtungsmesser, keine Webcam...Lichtwellen bräuchten Stunden um Strom zu erzeugen.

Aber der Strom ist sofort da, so bald das Licht da ist, vorausgesetzt, das Licht hat eine ausreichend hohe Frequenz (kurze Wellenlänge). Wenn die Frequenz nicht passt, dann kann man auch durch noch so intensive Bestrahlung keinen Strom erzeugen.

Eine Solarzelle, die blaues Licht benötigt, kann man nicht durch rotes Licht zur Stromerzeugung bringen...auch nicht, wenn man MegaWatt rotes Licht draufstrahlt oder gar die Solarzelle neben einen Roten Riesen hält...Es passiert nichts.

Jede einzelne dieser Beobachtungen widerlegt die Wellenvorstellung. Das Wellenmodell ist falsifiziert, es kann nicht stimmen.

Also: Ganz klar! Licht ist keine Wellenerscheinung.

Einstein hat eine klare Gegenvorstellung entwickelt:

9.3 Licht besteht aus Photonen

Photonen erklären nicht nur den Photoeffekt, auch die Energieverteilung im Spektrum (Plancksche Kurven) und weitere Eigenschaften von Lumineszenz und Röntgenstrahlung, die wir noch kennenlernen werden.

Diese Objekte, Einstein hat sie als Lichtquanten, Energiequanten, Lichtenergiequanten, Elementarquanten, Energieprojekktile, Lichtkorpuskeln oder Quanten bezeichnet. Der Name Photon ist erst 1925 von einem Biologen eingeführt worden , als Energieeinheit, die Licht auf Chlorophyll überträgt. Einstein hat den Namen Photon nie benutzt.

Die Begriffe Korpuskeln und Projektile aber erinnern an kleine Teilchen, die durch die Gegend fliegen. Und so ist aus Einsteins Photonenmodell in der popuilären Physik das sog. "Teilchenmodell" des Lichtes geworden.

Also ganz klar: Licht besteht aus Photonen! Ob das Teilchen sind, das müssen wir noch klären.

9.4 Licht kann nicht aus Photonen bestehen!

Photonen können vieles...aber keine Interferenzen...sie können sich nicht gegenseitig auslöschen! Das, was bei Wellen so wichtig ist, die Phase, spielt bei Photonen keine Rolle.

Interferentzerscheinungen widerlegen die Photonenvorstellung. Das Photonenmodell ist falsifiziert, es kann nicht stimmen.

Also:  Ganz klar! Licht besteht nicht aus Photonen.

9.5 Das Duell der Modelle

Das Wellenmodell bringt das Photonenmodell zum Absturz, das Photonenmodell bringt das Wellenmodell zum Absturz.

Das ist wie ein Duell in einem alten Western: Beide Kontrahenten ziehen gleichzeitig und fallen beide tot um. Keiner gewinnt. Beide verlieren.

Aber es sind nur Schauspieler...sie sterben nur im Film, im Auge des Zuschauers...in der Realität spielen sie nach dem Dreh Skat...

Licht gibt es...was ist Licht denn nun?

 

In populären Büchern und in der Schule spricht man vom "Dualismus Welle - Teilchen". Im Laufe der nächsten Stunden werdet ihr sehen, dass wir diese Begriffsbildung nicht brauchen, sie eigentlich sogar Unsinn ist.

Deswegen verwenden wir sie nicht.

Wir sind nun mitten in der Spiegelwelt von Alice...ein Zurück gibt es nicht mehr...wir müssen da durch...

Ich kündige schon mal die nächsten  Kapitel an:

-  Photonen verhalten sich wie Teilchen

-  Photonen können keine Teilchen sein  (und natürlich auch keine Wellen)....

Ihr seht, es geht weiter...

9.6 Mögliche Szenarien: Ein Hauch von Philosophie

Wir haben zwei Modellvorstellungen entwickelt:

- Licht verhält sich wie eine Welle: W

- Licht besteht aus Photonen, von denen noch nicht klar ist, ob sie Teilchen sind: P

Beide Modellvorstellungen widersprechen sich und falsifizieren sich gegenseitig.

Die Gleichung E = h*f verbindet beide Vorstellungen auf eine nicht verstandene Weise.

Wie stehen diese Vorstellungen in Verbindung? 

Beschreibe die Möglichkeiten anhand dieser Bilder:

Wir werden uns der Möglichkeit 3 zuwenden und als umfassendes Modell die Quantenmechanik kennenlernen!

In der Erkenntnistheorie gibt es zwei Positonen, die wir hier ansprechen wollen:

Positivismus: 

Physik beschreibt tatsächliche, durch Erfahrungen und Beobachtungen gesicherte Vorgänge. Vereinfacht: Wir brauchen eine Theorie und eine Formel für die Messwerte, nicht für das, was dahinter steht. 

Die Frage: "Was ist Licht?" hat keine Berechtigung, es geht darum, mit welchen Formeln man Lichtphänomene beschreiben kann.

Realismus: 

Es existiert eine von Beobachtung und Messung unabhängige Realität, aus der heraus die wahrnehmbaren Phänomene der Welt entstehen. Es gibt etwas real Existierendes, was Licht ausmacht.

Die Frage: "Was ist Licht?" ist eine zentrale Frage des Realismus.

In vielen Lehrbüchern steht, dass es nicht Aufgabe der Physik sei, solche Fragen zu beantworten...

Ich frage die Autoren: Warum betreibt man denn sonst Physik? Etwa weil man es irre findet, mit Formeln rumzurechnen??? Gut, solche Leute mag es auch geben....

Aber die ganz Großen haben aus anderen Motiven gehandelt. Deswegen erzähle ich immer etwas aus deren Leben.

Seid ihr Realisten oder Positivisten?

Ihr habt berühmte Mitstreiter...Bohr war eher Positivist, Einstein Realist.