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2023 | OriginalPaper | Chapter

5. Frühe Rezeption des Konzepts von Lichtquanten

Author : Klaus Hentschel

Published in: Lichtquanten

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Kap. 5 schildert die frühe Rezeption des Konzepts von Lichtquanten, beginnend bei anfänglich großer Skepsis fast der gesamten scientific community (inklusive derer, die wie Max Planck und sein Schüler Max von Laue ansonsten zu den größten Förderern Einsteins gehörten). In Abschn. 5.2 wird der Compton-Effekt 1922/23 als Wegscheide interpretiert, und in Abschn. 5.3. wird noch die Theorie von Niels Bohr, H.A. Kramers und John Slater (1924) besprochen. Diese BKS-Theorie war der letzte Versuch einer Quantentheorie ohne energetisch quantisierte Lichtquanten – ein Interpretationsversuch, der mit den Korrelations-Experimenten von Walther Bothe und Hans Geiger (1924–25) sein Ende fand. Danach folgen Diskussionen von de Broglies „Gespensterfeldern“, von Diracs sogenannter „zweiter Quantisierung“ und von semiklassischen Theorien sowie von Ernst Blochs Materialismusproblem (1936/37)

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Footnotes
1
Planck (1910), insbesondere S. 763f., wiederabgedruckt in Planck (1958), Zitat S. 242ff.
 
2
Siehe Kirsten & Treder (Hg.) 1979, hier Bd. 1, S. 96 sowie CPAE 5, S. 527.
 
3
Siehe Planck (1948) S. 22.
 
4
Siehe Millikan (1916a und b) sowie hier Abschn. 3.​63.​7.
 
5
Zu dieser Episode siehe Compton (1922, 1923a, b), (1927) bzw. Debye (1923); vgl. Stuewer (1975a), (1998) und dort genannte weiterführende Quellen.
 
6
Millikan (1950) S. 101–102 Für rückhaltlose Kritik an Millikans Geschichtsklitterei siehe Holton (2000) sowie Stuewer (1998) und (2014) S. 143: „Millikan’s philosophy of history: if the facts don’t fit your theory, change the facts.“
 
7
Stuewer (1998).
 
8
dem Elektrodenmaterial der Röhre, das Compton von der Firma General Electric gestellt worden war: siehe Compton (1923b) S. 410 u. 413.
 
9
Für ausführliche Ableitungen dieser Formel, die heute Schulwissen darstellt und in der Form \(\frac{h}{m_{\text {e}} c}= \lambda _c= 2,426\times 10^{-12}\)m auch als Compton-Wellenlänge bezeichnet wird, siehe z. B. Compton (1922, 1923a), Debye (1923), sowie http://​www.​abi-physik.​de/​buch/​quantenmechanik/​compton-effekt/​ (21.3.2016).
 
10
Zur hochpräzisen Gültigkeit von Energie- und Impulserhaltung beim Compton-Effekt siehe Cross & Ramsey (1950).
 
11
Sommerfeld (1919c) [4. Aufl. 1924] S. 57–59; vgl. Michael Eckert in http://​edition-open-access.​de/​studies/​2/​7/​index.​html über sechs Auflagen dieses Standard-Lehrbuchs der Quantentheorie.
 
12
Siehe dazu Small (1986) S. 144–145, demzufolge Compton (1923) bis 1929 in den 20 international führenden Physikzeitschriften insgesamt 78-mal zitiert wurde; basierend auf dem von Small (1981) vorgelegten Physics Citation Index 1920–29; vgl. Brown (2002) zur Nachwirkung Comptons.
 
13
Robert Millikan (1924) S. 61–62 und 64.
 
14
Zitate aus Compton (1925) S. 246 [vgl. auch den Bildausschnitt in Abb. 5.2] sowie aus Compton (1961) S. 820.
 
15
Compton (1961) S. 818 sowie 820.
 
16
Zum nachfolgenden siehe Bohr, Kramers & Slater (1924a) S. 785 ff. sowie Mehra & Rechenberg (1982) Bd. 1, S. 532–554, Pais (1991) S. 232–238, Kragh (2009); zu Kramers siehe Dresden (1987), zu Slater siehe Morse (1982).
 
17
Bohr, Kramers & Slater (1924a) § 1, S. 786 sowie § 2, S. 793 und ergänzend Slater (1924). Dieses Problem mit der Kausalität in Quantensprüngen war bereits 1913 von Rutherford vorgebracht worden und im Bohr-Sommerfeldschen Atommodell bislang immer als unbeantwortbar zurückgestellt worden: siehe Hentschel (2009b) für Nachweise und weiterführende Literatur.
 
18
Ibid., S. 787. Damit spielten sie auf die Einwände von Lorentz an (siehe Abschn. 4.​3). Auch Pascual Jordan (1924) erwog in einem seiner ersten Aufsätze verschiedene mentale Modelle jener Quantensprünge.
 
19
Bohr, Kramers & Slater (1924a) S. 793 sowie den folgenden Unterabschnitt. Genau diese letzte Annahme wurde später als ad hoc kritisiert. In wissenschaftstheoretischer Perspektive wurde die BKS-Theorie später sogar zum vielzitierten Musterbeispiel einer unbefriedigenden ad-hoc-Theorie.
 
20
A. Einstein an M. Born, 29. April 1924, zuerst veröffentlicht in Born (Hg.) 1969, S. 118f. sowie in CPAE 14, S. 371.
 
21
Siehe Bothe & Geiger (1924) sowie zur quantitativen Abschätzung im einzelnen: Bothe (1924).
 
22
Siehe Bothe & Geiger (1925) sowie zu den Methoden ergänzend Trenn (1976), Galison (1991) S. 440 f. Für den Wissenschaftstheoretiker Karl R. Popper (1934, 1935) §77, S. 179 wurde dieses Experiment von Bothe und Geiger zum Musterbeispiel eines experimentum crucis, das eine klare Entscheidung zwischen deterministischen und bloß stochastischen Naturgesetzen ermöglichte.
 
23
Siehe Einstein (1925) und Tolmasquim & Moleira (2002).
 
24
Compton & Simon (1925) S. 289 u. 299.
 
25
Compton (1925) S. 246; vgl. ferner Silva & Freire (2011).
 
26
Compton (1925) S. 246. Passend dazu wurde Einsteins Portrait von ihm untertitelt: „Professor Albert Einstein. He revived the old Newtonian idea of light corpuscles in the form of quanta.“
 
27
Zu Slater siehe Morse (1982), dort insb. S. 299f.; zur Genese und zum Kontext des BKS-Papers vgl. Slater (1973, 1975) S. 8–14, Niels Bohrs Collected Works, Bd. 5 (1984) S. 99–118, Dresden (1987) S. 159ff., Beller (1999) S. 23, 83, 259.
 
28
Slater (1924) S. 307f.; zur Erläuterung von Slaters Vorstellungen vor der Interaktion mit Kramers und Bohr, die diese in eine andere Richtung umlenkten, vgl. ferner Dresden (1987) S. 159-163.
 
29
Ibid., 308; vgl. auch Slater (1925c) sowie Swann (1925) S. 432ff., mit dem Slater sich auf dem Treffen der American Association for the Advancement of Science in Washington, D.C. am 30. Dez. 1924 Ideen ausgetauscht hatte.
 
30
Zu diesem mentalen Modell Slaters siehe insb. dessen Korrespondenz mit Niels Bohr im November 1923, abgedruckt in Niels Bohrs Collected Works, Bd. 5 (1984) S. 8–9 sowie Slater (1924, 1925b); vgl. ferner Kragh (2009) sowie weitere Lit. u. url’s unter https://​en.​wikipedia.​org/​wiki/​BKS_​theory.
 
31
Siehe Slater (1924) S. 308: „But when the idea with that interpretation was described to Dr. Kramers, he pointed out that it scarcely suggested the definite coupling between emission and absorption processes which light quanta provide, but rather indicated a much greater independence between transition processes in distant atoms than I had perceived. The subject has been discussed at length with Prof. Bohr and Dr. Kramers [...]“. In gleicher Tonlage später Slater (1973) S. 20 „the paper of Bohr, Kramers and Slater (1924a) which resulted from our discussions, came out in an unsatisfactory hybrid form“.
 
32
Slater (1975) S. 11: „to my consternation I found that they [Bohr & Kramers, KH] completely refused to admit the real existence of the photons.“ Zu Bohrs Haltung zu Lichtquanten: Stachel (2009).
 
33
Slater (1973) S. 20 ff., (1975) S. 8ff. sowie Dresden (1987), S. 166 über „[changes] dictated to him very much against his wishes [...] His comments are angry, and it is evident that he harbored great resentment against Kramers and Bohr – a resentment that had not diminished in any way over all the many years.“
 
34
Slater an van der Waerden, 4. Nov. 1964, zit. nach Dresden (1987) S. 167; cf. Slater (1975) S. 12ff.
 
35
Siehe u. a. de Broglie (1923), (1924/25), (1925), (1927)a-c, (1972), (1973) richtig hielt sowie Lochak (1992), Sievers (1998), Fargue (2017).
 
36
De Broglie (1972b) S. 2; zu de Broglies realistischer Ontologie ferner Sievers (1998) S. 25.
 
37
In seinen frühen Arbeiten rechnet de Broglie (1922, 1923, 1924) mit einer verschwindend kleinen Ruhemasse der Photonen \(\le 10^{-50}\)g – siehe dazu hier Abschn. 3.​6.
 
38
De Broglie (1924/25) §1, (1972b): „the particle had an internal vibration which was constantly in phase with that of the wave.“.
 
39
Siehe de Broglie (1927a-c). Ausführliche und klare Diskussion dieser de Broglieschen Theorie findet man u. a. in de Broglie (1972), Cushing (1994), Fargue (2017), Sievers (1998).
 
40
Zu diesem bereits 1923–24 von De Broglie abgeleiteten Ergebnis einer „harmonie des phases“ und seiner relativistischen Ableitung siehe insb. De Broglie (1924) S. 1040, (1972) S. 2f., 9 und Fargue (2017) S. 9ff.
 
41
De Broglie (1972b) S. 10.
 
42
Siehe z. B. de Broglie (1924, 1924/25)
 
43
Born (1926) S. 804 – vgl. dazu Einstein (1909), Slater (1924) sowie hier Abschn. 4.​2.
 
44
Siehe CPAE Bd. 13, Dok. 13, S. 75 und xxxvii; vgl. Pais (1982) S. 442 f.
 
45
Max Born an Albert Einstein, 30. Nov. 1926, nicht enthalten in Borns Auswahledition seines Briefwechsels mit Einstein und erstmals publ. in CPAE Bd. 15 (2019), Dok. 422, S. 647f., kommentiert in Pais (1982) S. 443.
 
46
Einstein an Born, 4. Dez. 1926, CPAE Bd. 15 (2019), Dok. 426, S. 654 bzw. Born (1969) S. 129 f.
 
47
Siehe dazu Einstein & Grommer (1927), Weyl (1918/23c), Scholz (2006) und CPAE Bd. 15: xlvi-xlviii, Do. 443 sowie dort jew. zit. Lit.
 
48
Siehe Born (1969) sowie Belousek (1996).
 
49
Dazu siehe z. B. Sievers (1998) S. 27–33, Bacciagaluppi & Valentini (2009) u. weitere dort zit. Lit.
 
50
Mündliche Bemerkung von Einstein gegenüber de Broglie im Okt. 1927, zit. in Lochak (1992) S. 141 u. Sievers (1998) S. 32.
 
51
Albert Einstein an Louis de Broglie, 8. Febr. 1954, zit. nach Sievers (1998) S. 32. Zu Einsteins Interpretation der Quantenmechanik als statistischer Ensembletheorie, die über einzelne Systeme keine Aussagen mache und darum „unvollständig“ sei, siehe ferner Einstein, Podolsky & Rosen (1935) sowie Einstein (1953).
 
52
Siehe Bohm (1952, 1957), Bohm & Hiley (1982) sowie Cushing (1994) Kap. 4, 9, Fine (1996), Peat (1997), Beller (1999) S. 203–210, Forstner (2007), Freire (2022) Kap. 2, Bush (2015).
 
53
Siehe dazu z. B. Cushing (1994) S. 144ff., Belousek (1996) S. 456ff., Myrvold (2013) S. 9ff., Forstner (2007) S. 145ff.; zu Bohms Rezeption in der Sowjetunion siehe Cross (1991) S. 742 ff., 753.
 
54
Albert Einstein an Max Born, 12. Mai 1952, in Born (1969) S. 258; vgl. Einstein (1953), seinen Brief an de Broglie vom April und Mai 1953 (zit. in Sievers (1998) Anhang A.2.7), sowie Cushing (1994) S. 146 ff. und Myrvold (2013) S. 9–10 für eine ausführliche Diskussion der Argumente gegen Bohm sowie für Bohms Reaktion darauf.
 
55
Siehe z. B. De Broglie (1953, 1972) Cushing (1994) S. 148: „De Broglie is reconverted“, Lochak (1992), Myrvold (2013) und in Festschriften zu de Broglies runden Geburtstagen genannte Lit.
 
56
Zu diesen Unterschieden im einzelnen siehe z. B. Cushing (1994) S. 149 und Bush (2015) S. 49.
 
57
Bohm (1952) S. 193.
 
58
Die Arbeiten von Dirac zwischen 1927 und 1935 stehen am Anfang der Anthologie von Schwinger (Hg.) 1958 – zu Diracs Leben und Werk siehe z. B. Kragh (1990), Schweber (1994) S. 11–32, 70ff., Wright (2014) Kap. 2 u. dort genannte weiterführende Quellen.
 
59
Zur Wortgeschichte siehe Duncan (2012) S. 42, 144; für Kritik an diesem Terminus siehe z. B. Bjorken & Drell (1965/67b) S. 22 ff., 75ff., Cao (1997) S. 167: „inappropriate name“.
 
60
Siehe Jordan (1926, 1927a-b), Jordan & Pauli (1928) sowie Jordan (1973) S. 296 über „doubt, scepticism, and criticism of several good friends“ in Reaktion darauf. Zu Jordan siehe hier Abschn. 3.​8 sowie die Beiträge von Ehlers, Meyenn, Schroer und Beiglböck im Jordan-Symposium (2007).
 
61
Über die verschiedenen Ontologien und Herangehensweisen von Dirac und Jordan sowie über das Oszillieren zwischen teilchen- und wellenbasierter Quantisierung in den nachfolgenden Jahrzehnten siehe Bromberg (1976) S. 181ff., Schweber (1994) S. xii-xxvii, 25 ff., 33ff., Scully & Zubairy (1997) S. 27ff., Cao (1997) S. 172f., Brown (2002), Duncan (2012) S. 42, Han (2014) sowie Ehberger (2022).
 
62
Beiglböck im Jordan Symposium (2007) S. 151; vgl. in gleicher Stoßrichtung Darrigol (1986) S. 219: „Jordan’s attitude thus was the reverse of Dirac’s. For Dirac, empirical evidence of matter conservation excluded the light-matter analogy, for Jordan the light-matter analogy suggested the possibility of creating and destroying matter“.
 
63
Dirac (1927b) S. 243. Die Einreichung dieses Aufsatzes erfolgte über Niels Bohr, da dieser damals im Unterschied zu Schrödinger bereits Fellow der Royal Society war. Zu diesem Aufsatz, seinem Kontext und zu seiner Rezeption vgl. ferner Ehberger (2022).
 
64
Siehe dazu z. B. Jauch & Rohrlich (1976), Bjorken & Drell (1965/67b) S. 47f., Duncan (2012) S. 23 ff.
 
65
Dieser Wandel wird deutlich im Vergleich von Passagen aus Jordan (1924) S. 306 mit Jordan (1926) S. 836 f. und Jordan & Pauli (1928).
 
66
Zur Fock-Darstellung siehe Fock (1932), Duncan (2012) S. 47; zu Focks Rezeption der QFT in der Sowjetunion siehe Cross (1991) S. 745.
 
67
Siehe dazu z. B. Stenholm (1971) S. 265 oder Milonni (1976) S. 29 ff. sowie hier den folgenden abschn. 5.​6.
 
68
Dirac (1927b) S. 247.
 
69
Siehe Born (1926a-b), hier den vorigen Abschnitt und weiter interpretierend dazu Cao (1997) S. 148.
 
70
Für Details dieser Ableitung siehe Slater (1925b-c), (1975) S. 10 f. und Weisskopf & Wigner (1930).
 
71
Dirac (1927bb) S. 263: „The wave point of view is thus consistent with the light-quantum point of view and gives values for the unknown interaction coefficient in the light-quantum theory.“ Mehr zur Problematik der Nicht-Lokalisierbarkeit und Nicht-Individuierbarkeit von Photonen hier in Abschn. 9.​49.​5.
 
72
Siehe Dirac (1927b) §7, (1930c) Kap. X, S. 232–239 sowie z. B. Heitler (1936b), Milonni (1976) S. 1, 32ff., Duncan (2012) S. 31–37.
 
73
Siehe Dirac (1927b), Kramers & Heisenberg (1925) sowie Milonni (1976) S. 1, der darauf hinweist, dass genau diese Korrespondenz der Ergebnisse später semiklassische Theorien der spontanen Emission auf den Plan rief.
 
74
Auf diese kurze Form bringt es Cao (1997) S. 173; eine sehr klare und anschauliche Erläuterung dazu im Phasenraum findet sich in Snoke (2003) S. 7–9.
 
75
Dirac (1927bb) S. 260f. Eine analoge Konstruktion wandte Dirac 1929/30 übrigens auch bei seiner Betrachtung von Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen an, die ebenfalls paarweise erzeugt und vernichtet werden können: vgl. dazu Bromberg (1976) S. 186ff., Kragh (1990) Kap. 6 & 8 sowie Cao (1997) S. 163f.
 
76
Eine in ihrer Legitimität nicht unumstrittene Technik, die später dann als Renormierung (engl. renormalization) bezeichnet wurde: siehe dazu z. B. Jauch & Rohrlich (1976) Kap. 9-10, Bjorken & Drell (1965/67a) Kap. 10, Cao (1997) Abschn. 8.3 und 10.3, Duncan (2012) Kap. 16 ff.
 
77
Dirac (1930) im unpaginierten Vorwort der 1. Aufl. seines Lehrbuchs über Principles of Quantum Mechanics; vgl. Bromberg (1976) S. 190.
 
78
Glauber (2005) S. 79.
 
79
Jauch & Rohrlich (1976) Kap. 15, Bjorken & Drell (1965/67a) Bd. 1, Kap. 4, Duncan (2012) S. 54 ff. usw. zu Eulers Theorie der Photon-Photon-Streuung nach der Diracschen Theorie siehe hier Abschn. 8.​10.
 
80
Tatsächlich wechselte Schrödinger 1927 aus Zürich als Nachfolger Plancks nach Berlin, wo er bis 1933 blieb.
 
81
Siehe Born (1926a).
 
82
So in seinem Nobelpreisvortrag Glauber (2005) S. 79 unter Bezugnahme auf Dirac (1927b, 1930).
 
83
Gute Literaturüberblicke stammen von Lamb & Scully (1969), Crisp & Jaynes (1969), Scully & Sargent (1972), Jaynes (1973), Stenholm (1986), Mandel & Wolf (1995) Kap. 9.
 
84
Siehe Jaynes (1965). Zu Jaynes siehe Clark et al. (2000), Bromberg (2006) S. 243 ff.
 
85
Siehe beispielsweise Jaynes (1973).
 
86
Clauser (2001): 90.
 
87
Clauser (2001) S. 91, bezugnehmend auf den Beitrag von Jaynes in Mandel & Wolf (Hg.) 1973; zu jenen EPR-Experimenten siehe hier Abschn. 8.​4.
 
88
Zu dieser zentralen Voraussetzung semiklassischer Theorien und ihrer Implikationen u. a. über Korrelationen des Atoms mit seinem Strahlungsumfeld und zur Interpretation der Aussagen semiklassischer Theorien als statistische Aussagen über Ensembles siehe Milonni (1976) S. 39 ff.
 
89
Für detaillierte Ableitungen siehe z. B. Lamb (1964), Shirley (1969), Stenholm (1971), Mandel & Wolf (1995): Kap. 15, 18–19.
 
90
Shirley (1969), Stenholm (1971) S. 190, 264 ff.
 
91
Siehe z. B. Crisp & Jaynes (1969), Barwick (1978) S. 1917 ff.
 
92
Siehe z. B. Aristov (2009) S. 172 f. über verschiedene Voraussagen zur Abstandsabhängigkeit der Temperatur des durch elektromagnetische Strahlung erzeugten Elektronengases, oder Nesbet (1971) über die Unterschiede der semiklassisch und voll-quantisiert berechneten spontanen Emissionsrate.
 
93
Siehe Einstein (1905) sowie z. B. Glauber (2005) S. 78, der diese Einsteinsche Erklärung des photoelektrischen Effekts zwar für „naive“ hielt, aber dennoch schrieb, dass derartige Stossprozesse von Photonen an Elektronen den gleichen Gesetzen folgen wie relativistische Stöße von Billiardkugeln.
 
94
Zitat aus Aristov (2009) S. 171; vgl. analog Bosanac (1998) S. 317.
 
95
Für sehr klare Ableitungen der semiklassischen Erklärung des photoelektrischen Effekts und der Resonanz-Floureszenz siehe Scully & Sargent (1972) S. 40ff., Jaynes (1973) S. 38ff., Mandel & Wolf (1995) S. 441–458, Bosanac (1998) und verkürzter: Aristov (2009).
 
96
Die diesbezüglich Interpretation durch Mandel & Wolf (1995) S. 444 ist irreführend: „The detection probability is proportional to \(\varDelta t\) .... so that one can speak of an instantaneous rate of photoelectric emission“ – Nein: diese Wahrscheinlichkeit steigt im semiklassischen Fall proportional zu \(\varDelta t\) an!
 
97
Einstein (1927a) S. 546.
 
98
Siehe Bothe & Geiger (1925), Compton & Simon (1925), die beide nur bis \(10^{-3}\)sec genau messen konnten, sowie Hofstadter & McIntyre (1950) mit weit höherer Genauigkeit von \(1,5\cdot 10^{-8}\)sec.
 
99
So beispielsweise Scully & Sargent (1972) S. 42 und analog Franken (1969). Zur Nichtlinearität der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie siehe Bullough (1973).
 
100
Siehe Cross & Ramsey (1950) S. 933, die auch die exakte Gültigkeit von Energie- und Impulserhaltung in der Comptonstreuung erneut bestätigten.
 
101
Siehe Clauser (1974) – mehr zu Clausers experimentellem setup und zu seinen Ergebnissen siehe hier in Abschn. 8.​2.
 
102
Zitate aus einem Nachruf auf Jaynes von Clark u. a.  (2000).
 
103
Aristov (2009) S. 173.
 
104
Bloch (1936/37b) S. 198f.
 
105
Bloch (1936/37b) S. 199 f.
 
106
Ibid. Dies ist wohl eine Anspielung auf das Phänomen der Vakuumfluktuation und Elektron-Positron-Paarerzeugung nach Dirac (s. o.).
 
107
Bloch (1936/37b) S. 205 f.
 
108
Bloch (1936/37b) S. 212 f., 217; vgl. ebenda, S. 220 zu „spätbürgerlichen Faltenwürden oder Altersfalten des Begriffs“.
 
109
Für die Anregung dazu danke ich Erhard Scholz in Wuppertal. Zur Rezeption der Quantentheorie und Quantenmechanik in der Sowjetunion siehe Graham (1972), Cross (1991) u. dort zit. weiterführende Werke.
 
Metadata
Title
Frühe Rezeption des Konzepts von Lichtquanten
Author
Klaus Hentschel
Copyright Year
2023
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-66933-4_5

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