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2023 | OriginalPaper | Chapter

9. Wie muss unser heutiges mentales Modell des Photons aussehen?

Author : Klaus Hentschel

Published in: Lichtquanten

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Kap. 9 fragt: Wie muss unser heutiges mentales Modell von Photonen aussehen? Naiv-materialistische Projektil- oder Teilcheninterpretationen des Lichts verteidigten nicht nur Isaac Newton und seine zahlreichen Anhänger vom 17.–19. Jahrhundert, sondern im 20. Jahrhundert noch so bedeutende Experimentatoren wie Johannes Stark oder Arthur Holly Compton. Dagegen setzten Thomas Young, Augustin Fresnel und viele andere Naturforscher des 19. und frühen 20. Jahrhunderts eine ebenso naiv-verabsolutierende Wellentheorie des Lichts, wie sie auch den Maxwell-Gleichungen der elektromagnetischen Strahlung zugrundeliegt. Beide Interpretationsansätze werden dem sich ab 1909 abzeichnenden Welle-Teilchen-Dualismus nicht gerecht. Daher verteidigen die Abschn. 9.1 bis 9.4 eine ontologisch zurückhaltende, instrumentalistische Interpretation, die Vermeidung eines naiven Realismus sowie unberechtigter Lokalitäts-Zuschreibungen. Abschn. 9.5 kommt darüber hinaus noch zu einer Abschiednahme von unserer Tendenz zur Individuierung, da wir nur so der andersartigen Bose-Einstein-Statistik gerecht werden können. Weil all dies unserer an makroskopischen Objekten gewachsenen Intuition so grundlegend widerspricht, bleibt das Lichtquantum alias Photon dennoch eine „mysterious Cheshire cat“, ein „elusive beast“.

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Footnotes
1
Siehe die auf Kap. 1 zitierte Aussage Einsteins im Brief an Michele Besso, 12. Dez. 1951.
 
2
Zeilinger et al. (2005) S. 231.
 
3
Ibid.; vgl. z. B. Paul (1985), (1986), Scully & Zubairy (1997), Chiao & Garrison  (2008).
 
4
Einstiege und Literaturübersichten bieten u. a. Redhead (1982/83), Cao (1997), Lewis (2016). Ein mögliches Ende der Teilchenära prognostizieren Harlander, Martinez & Schiemann (2023).
 
5
Wheeler & Feynman (1945), (1949) S. 425 sowie hier Abschn. 6.​2.
 
6
Zur weiteren Entwicklung, die Feynman dann auch zu den sog. Feynmanschen Pfadintegralen führte, siehe ferner Feynman (1965), Cramer (1988), Thorne (2019) S. 9.
 
7
Für eine detailliertere Analyse jener teilchenlastigen Interpretation Feynmans siehe hier Abschn. 6.​2.
 
8
Weinberg (2001) S. 59 f., 109; vgl. analog Weinberg (1987): 78 f., Readhead (1982/83) S. 76 ff. sowie dazu kritisch Jaeger (2021).
 
9
Hobson (1986) S. 311.
 
10
Victor Weisskopf in Brown & Hoddeson (Hg.) 1983: 66 f.
 
11
Halvorson & Clifton (2002) S. 3; zu den dabei meist unwillkürlich gemachten Annahmen solcher ‚Teilchenmetaphysik‘ siehe Falkenburg (1993, 1995/2007), Ubben (2020) S. 127 ff.
 
12
Jaynes (1973) S. 48–50; zur Vita dieses an der Washington University lehrenden Anhängers semiklassischer Theorien siehe Clark et al. (2000); zu semiklassischen Theorien des Lichts und zu Jaynes siehe hier Abschn. 5.​6; zum Kontext US-amerikanischer QED-Kritiker vgl. Bromberg (2006) S. 243–245.
 
13
Zur Geschichte des Teilchenkonzepts sowie zu den epistemischen Unterschieden zwischen klassischen Teilchen und Feldquanten siehe Falkenburg (1993, 1995/2007 Kap. 6) sowie Falkenburg in Esfeld (Hg.) 2012 S. 158–184. Über die teilchennahen Termini, mit denen man Lichtquanten bezeichnet hat, siehe hier Abschn. 2.​5.
 
14
Armstrong (1983) S. 104. Laut http://​www.​atomicheritage.​org/​profile/​h-l-armstrong arbeitete H.L. Armstrong als „Manhattan Project Veteran“ für die Tennessee Eastman Corporation an der Y-12 Plant von Oak Ridge, Tennessee.
 
15
Emeritierter Professor of Physics, Univ. Rajasthan, Jaipur, Indien; vgl. https://​scholar.​google.​co.​in/​citations?​user=​P4p2LbAAAAAJ&​hl=​en.
 
16
Singh (1984) S. 11; ähnliche kontrafaktische Varianten werden auch in Hund (1984) und in Pessoa (2000) durchgespielt.
 
17
Zum folgenden siehe Malament (1996), Halvorson & Clifton (2002, Bain (2000, 2011), Fraser (2008), Lupher (2010), Zeh (1993, 2013), Kuhlmann (2012 Kap. 5), Hobson (1986), Passon, Grebe-Ellis & Zuegge (2019), Jaeger (2021)).
 
18
Jaeger (2021) S. 12.
 
19
Redhead (1982/83) S. 79. Für einen Steckbrief der experimentell meßbaren Photoneneigenschaften siehe https://​pdg.​lbl.​gov/​2022/​listings/​rpp2022-list-photon.​pdf.
 
20
Zeilinger (2005) S. 233; in ähnliche Richtung gehen Thesen von Zeh (1993), (2012).
 
21
Siehe Walker & Slack (1970) zu der bewussten sprachlichen Analogie dieser Neologismen.
 
22
Stanley (1996) S. 839; analog auch Klassen (2008) S. 5.
 
23
Jaeger (2019) S. 14.
 
24
Diese Trias von Merkmalen benennt Arabatzis (2011) S. 378.
 
25
Hacking (1983) S. 23 f., 263; vgl. hier ferner Abschn. 7.​5.
 
26
Einen Steckbrief aller experimentell meßbaren Eigenschaften des Photons findet man unter https://​pdg.​lbl.​gov/​2022/​listings/​rpp2022-list-photon.​pdf.
 
27
Über die Nicht-Aufrechterhaltbarkeit eines „non-contextual realism“ siehe Shadbolt et al. (2014) und hier die in Kap. 8 beschriebenen Experimente.
 
28
Zur Begriffs- und Konzeptgeschichte ‚virtueller‘ Teilchen siehe insb. die Untersuchungen von Markus Ehberger (2020, 2022) samt den dort zit. Primärtexten.
 
29
Siehe dazu z. B. Bjorken & Drell (1965/67a), Jauch & Rohrlich (1976), Redhead (1982/83) S. 86 f., Bacelar Valente (2011) S. 43.
 
30
Redhead (1988), Zitat S. 9.
 
31
Zu diesen naturphilosophischen Debatten siehe u. a. Bunge (1970), Jauch (1976), Weinberg (1977) S. 24, Hendrick & Murphy (1981) S. 458 ff., Weingard (1982, 1988), Stöckler (1987), Cao (1997), Fox (2008), Meynell (2008), Falkenburg in Esfeld (Hg.) (2012), Bacelar Valente (2011), Passon (2014), Blum & Joas (2016) u. dort jew. genannte weiterführende Lit.
 
32
Bunge (1970) S. 508.
 
33
Siehe Bunge (1970), Zitat S. 508 bzw. kritisch kommentierend Fox (2008) S. 38, 46.
 
34
Bunge (1970) S. 508.
 
35
Harré (1988) S. 68 sowie kritisch dazu Fox (2008) S. 45: „Affordance talk alone does not imply exaggeration talk.“
 
36
Cao (1997) S. 20–23 sowie das Zitat auf 204 (mit Hervorhebung und Ergänzung in eckigen Klammern von KH); kritisch zu diesem „infinity argument“ Fox (2008) S. 44–45.
 
37
Siehe z. B. Kuhlmann (2012), Stöckler (1987) S. 264 f., Falkenburg (1995/2007) oder Fox (2008) S. 42 f.; vgl. ferner Kaiser (2000) S. 61 sowie S. 175–195 über Dysons ganz ähnlich-konventionalistische Interpretation jener Diagramme, während der frühe Feynman ja zu einer reifizierteren Deutung jener Diagramme als Abbilder realer Streuprozesse tendiert hatte – vgl. zu diesem „Feynman-Dyson-split“ hier Abschn. 6.​2 sowie beispielsweise Kaiser (2004) Kap. 5 und Meynell (2008) S. 42 ff.
 
38
Redhead (1988) S. 20; vgl. ferner das hier auf Abschn. 9.1 wiedergegebene Zitat von Harvey L. Armstrong über Photonen als Koeffizienten einer Fourierserie.
 
39
Siehe Weingard (1982), (1988) S. 46: „type and number are not sharp“‚ Stöckler (1987) S. 265, Cao (1997), Fox (2008).
 
40
Siehe beispielsweise Röhl (2005) S. 473–476 über diese „andere Art der Existenz“ virtueller Teilchen als „Teile eines übergeordneten Ganzen“ in ihrer Rolle als Mediatoren von Wechselwirkungen, was sie zu „analytischen Teilen des Streuprozesses“ mache, sowie kritisch dazu Fox (2008) S. 47.
 
41
Falkenburg (1995/2007b) S. 237: „infinitely many virtual particles together may be considered to cause a real collective effect. In this sense, they obviously have operational meaning.“
 
42
Bacelar Valente (2011) S. 50 spricht von „epistemic power“ bzw. von „explanatory nexus“, weswegen virtuelle Teilchen für ihn „more than formal tools“ sind.
 
43
Teller (1995): „in quantum theories the components represent potentially but not actually existing states“; analog dazu spricht Röhl (2005) S. 467 von „dispositionaler oder potentieller Seinsweise“.
 
44
Redhead (1982/83) S. 88 f.; zur Lewis Carroll’schen Metapher des in der Luft stehenbleibenden Grinsens der Cheshire cat auch nach deren Verschwinden vgl. hier Abschn. 9.6.
 
45
Zu diesen verräterischen Metaphern und ihrem Kontext siehe hier Abschn. 2.​52.​6.
 
46
Zum Compton-Effekt und seiner Bedeutung für die Lichtquantenhypothese siehe Abschn. 5.​2, zu Bothe-Geiger (1924) siehe hier Abschn. 5.​3. Zum Raman-Effekt, einer molekularen Streuung elektromagnetischer Strahlung im UV, IF und sichtbaren Licht, die von Chandrasekhara V. Raman (1888–1970) selbst als „optical analogue of the Compton effect“ interpretiert wurde, siehe Raman (1930) S. 270.
 
47
Dempster & Batho (1927) S. 644.
 
48
Siehe die in Abschn. 8.​1 und nachfolgend beschriebenen Entwicklungen.
 
49
Paul (1985) S. 175 und ergänzend ebenda S. 179 zum Photon als „Zwitter“ bzw. S. 11 über das „komplizierte Gebilde, [...] ein janusköpfigen Etwas, das sich – je nach Art der experimentellen Bedingungen – einmal als Korpuskel und einmal als Welle ‚zeigt‘.“ Auch Han (2014) betont dies.
 
50
Heitler (1944) S. 63–64, auch zit. von Armstrong (1983) S. 103-104: „a photon is not a thing to which a position can be simply assigned.“ Früheste Ansätze in diese Richtung bei Heisenberg & Pauli (1929), Landau & Peierls (1930), eine gründliche Literatursichtung bietet Keller (2005).
 
51
Landau & Peierls (1930) S. 64; vgl. ferner Bohr & Rosenfeld (1933), Newton & Wigner (1949) sowie Mandel (1986) S. 39 f. und Keller (2005).
 
52
Newton & Wigner (1949) S. 405 (Hinzufügung KH); ausführlicher: Wightman (1962) bzw. Duncan (2012) S. 159–164 über „local fields, non-localizable particles!“
 
53
Für neuere Ansätze zur Konstruktion lokalisierter Photonenzustände unter bestimmten Bedingungen vgl. Sipe (1995), Babaei & Mustafazadeh (2017).
 
54
Für diese Interpretation plädiert Emilio Santos in Roychoudhuri et al. (Hg.) 2008, S. 163–174.
 
55
So sieht es der Mathematiker R.M. Kiehn in Roychoudhuri et al. (Hg.) 2008, S. 251–270.
 
56
Strnad (1986a) S. 650. Den gleichen Punkt heben auch Gerry & Knight (2005) S. 18, Han (2014) S. 47 ff., Passon & Grebe-Ellis (2016) S. 20 ff. u. v. a. Quantenfeldtheoretiker hervor.
 
57
Strnad (1986a) S. 650. Zu pädagogisch motivierten Irrtümern und Übervereinfachungen vgl. Kap. 6.
 
58
Siehe z. B. Redhead & Teller (1992), French (2015) sowie Lyre in Friebe et al. (2015) Kap. 3.
 
59
Siehe dazu z. B. Ketterle (1997), (2007) sowie weitere hier in Abschn. 3.​10, 8.​1 und 4.​9 genannte Texte sowie Abb. 8.​2 zu Bunching und Antibunching.
 
60
Weiterführende Literaturhinweise zu echten Ein-Photon-Experimenten seit 1996 finden sich bei Santori et al. (2002), Zeilinger (2005, 2017).
 
61
Paul (1986) S. 221.
 
62
Siehe oben Abschn. 8.​5 sowie ergänzend Paul (1985) S. 98–123. Weil – unter normalen Umständen zumindest – einzelne Photonen so überaus schwierig separat untersucht werden können, plädieren z. B. Edward M. Purcell und Emilio Panarella dafür, in einem ‚photon clump model‘ der durch die Bose-Einstein-Statistik vorgegebenen Tendenz der Photonen zum Clustern stärker Rechnung zu tragen.
 
63
Siehe Purcell (1956); vgl. Abschn. 8.​1 sowie Panarella bzw. Roychoudhuri & Tirfessa in Roychoudhuri et al. (Hg.)  2008, S. 111–128 bzw. 397–410.
 
64
Felix Frank: The shortest artificial light burst in history, posted July 2, 2012, online unter http://​www.​kurzweilai.​net/​the-shortest-artificial-light-bursts-in-history (19.03.2016).
 
65
Für Details siehe Goulielmakis (2004), Frank et al. (2012), insb. S. 19–20 sowie Krebs et al. (2013).
 
66
So Wolfgang Pauli an Werner Heisenberg, 9. Okt. 1926, in Meyenn (Hg. 1979) Bd. 1, Dok. 143, S. 340; vgl. Heisenberg (1927), Landau & Lifschitz (1979) S. 44–47, 152–158, Paul (1985) S. 33–37.
 
67
Siehe Abschn. 1.​3, insbesondere das dort besprochene Konzept der Konvolutionen.
 
68
Scully & Sargent (1966) S. 38. 1997 kam Scully in einem Lehrbuch der Quantenoptik jedoch zu anderen Einsichten (s. u.). Zu Scullys Vita sowie zum Kontext vgl. Bromberg (2006) S. 245 ff.
 
69
Wheeler in der 72. Sommerschule ‚Enrico Fermi‘, publ. 1979, hier zit. aus Roychoudhuri & Roy (Hg.) 2003, S. 28. In die gleiche Richtung geht die Formulierung von Photonen als „mysterious quantum Cheshire cat: an illusion“ (ibid., im Beitrag von K. Michielsen u. a.) sowie die hier auf Abschn. 9.3 zitierte Aussage von Michael Redhead über ephemere Entitäten.
 
70
Siehe Freeman (1984) S. 11 bzw. Lamb (1995) S. 77.
 
71
Oliver Passon in einer E-Mail an K. Hentschel, 2. Sept. 2016; vgl. mit ähnlicher Stoßrichtung: Simonsohn (1979), Lamb (1995) S. 80, Sulcs (2003) S. 367.
 
72
Siehe dazu z. B. McEvoy (2010) und dort genannte weiterführende Texte.
 
73
Siehe z. B. Gell-Mann, & Ne’eman (1964), Walker & Slack (1970) sowie Johnson (1999) zur semantischen Modifikation dieses Konzeptes durch ‚Farbladungen‘, ‚Flavor‘, Massen, usw.
 
74
Chang (2018) S. 33, dessen Plädoyer für einen „Realism for Realistic People“ ich unterstütze; vgl. zum Kalorikum ausführlicher Chang (2003) u. dort angeführte Primärliteratur.
 
75
A.F. Kracklauer in: Roychoudhuri, Kracklauer & Creath (Hg.) 2008, S. 143–154.
 
76
Zum Zeitpunkt der Niederschrift dieser Zeilen lagen bereits sechs Proceedingsbände mit jeweils vielen Dutzend Beiträgen vor, darunter allerdings überwiegend hochspekulative bis ins Obskure gehende Gedankenspielereien: siehe Roychoudhuri et al. (Hg.) 2015 bzw. http://​spie.​org/​Publications/​Proceedings/​Volume/​9570 für den neuen Band der Reihe.
 
77
Alle vorstehenden Zitate aus Wayne (2009) S. 23, der einen ausführlichen Überblick bietet.
 
78
Zur Interpretation der Relativitätstheorie und Quantentheorie aus fiktionalistischer Perspektive vgl. Zeh (2012) und Hentschel (2014a).
 
79
Bonmot von Glauber auf der Sommerschule von Les Houches 1963, zit. als Motto in dem Beitrag von Holger Mack und Wolfgang Schleich zu Roychoudhuri & Roy (Hg.) 2003, S. 28.
 
80
So erneut Glauber, diesmal zit. aus dem Beitrag von Scully et al. zu Roychoudhuri & Roy (Hg.) 2003, S. 18.
 
81
Ibid. sowie in Scully & Zubairy (1997) Kap. 21 bzw. Zeilinger et al. (2005).
 
82
Zitat aus dem Abstract von S.A. Rashkoskiy in Roychoudhuri et al. (Hg.) 2015.
 
Metadata
Title
Wie muss unser heutiges mentales Modell des Photons aussehen?
Author
Klaus Hentschel
Copyright Year
2023
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-66933-4_9

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