Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

Dieses Buch beschäftigt sich mit der Entstehungsgeschichte des komplexen Konzeptes des Photons aus wissenschaftshistorischer, kognitionspsychologischer und naturwissenschaftlicher Sicht. Dabei werden unter anderem sechs verschiedene mentale Modelle des Lichtquantums bzw. Photons diskutiert und der Bogen vom Teilchenmodell Newtons, dem Singularitätsmodell Einstein und Bohrs bis zum modernen Konzept der Quantisierung des elektromagnetischen Feldes in der Quantenelektrodynamik gespannt. Der Autor beschäftigt sich zuerst mit der Entwicklungsgeschichte des Photons innerhalb der modernen Physik ab 1900, bevor er die zwölf semantischen Bedeutungsschichten des Photons ausgehend vom Anfang des 20. Jahrhunderts präsentiert. Anschließend werden die mentalen Modelle im Laufe der Geschichte bis zur Moderne beschrieben und diskutiert und das heutige Modell des Photons besprochen.

Das Buch richtet sich sowohl an Naturwissenschaftler mit physikalischem Hintergrund als auch an Wissenscha

ftshistoriker und Andere, die sich mit der Begriffs- und Ideengeschichte von Konzepten auseinandersetzen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Die Einführung behandelt Methodisches zu dieser Studie, insb. die allgemeine Historiographie wissenschaftlicher Begriffe sowie die kognitionspsychologische Behandlung mentaler Modelle. Abschn. 1.2 liefert eine klare Abgrenzung von Begriff, Konzept und mentalem Modell, und Abschn. 1.3 interpretiert Konzeptentstehung als schichtweise semantische Anreicherung. Ferner werden kurz spezielle Vorarbeiten zu einzelnen historischen Episoden von mir selbst sowie von anderen Wissenschaftshistorikern geschildert, auf deren Arbeiten ich jeweils verweise. Am Ende dieses 1. Kapitels stehen Danksagungen an Verlage, Institutionen und Einzelpersonen.

Klaus Hentschel

2. Der Einstieg: Plancks und Einsteins Wege zur Quantisierung

Kapitel 2 bietet als inhaltlichen Einstieg ins Thema eine ausführliche Erörterung von Plancks sowie Einsteins Schritten hin zur Quantisierung, auch im historisch-kontrastiven Vergleich der beiden Denker und ihrer jeweiligen Motive und Heuristiken. Abschnitt 2.2 diskutiert Einsteins Gedankenführung bis zum Aufsatz von 1905 und den Zusammenhang der vielen bedeutenden Arbeiten seines annus mirabilis 1905 und der Folgejahre bis 1909, während (in 2.4) als Kontrastfolie dazu Plancks zweite Quantentheorie 1909–13 besprochen wird. Planck versuchte damals (erfolglos), die von ihm selbst 1900 zaghaft eingeführte Quantisierung der Energie auf die materiellen Resonatoren des schwarzen Körpers zurückzuführen, damit das in seinen Augen kontinuierliche (also auch energetisch nicht-quantisierte) Strahlungsfeld in dessen Innerem selbst uneingeschränkt weiter den Maxwell-Gleichungen genügen kann. Mit weiteren Arbeiten Einsteins, die zeigen konnten, dass die Plancksche Formel zur Strahlungsverteilung bereits die Energiequantisierung auch des Strahlungsfeldes selber voraussetzt, war diese Interpretations-Option dahin. Abschnitt 2.5 erörtert die Vielfalt einschlägiger Begriffe in statu nascendi im Werk von Einstein und seinen Zeitgenossen. Die meisten der damals erwogenen Begriffsalternativen wie z.B. ‚Lichtkorpuskel‘ oder ‚Energieprojektile‘ sind heute vergessen. Abschnitt 2.6 belegt u.a. mithilfe einer google n-gram Statistik den langsamen Aufstieg des Terminus ‚Photon‘, der in der heute verwendeten Form auf den Physikochemiker G.N. Lewis (1926) zurückgeht.

Klaus Hentschel

3. Zwölf Bedeutungsschichten von ‚Lichtquantum‘ bzw. ‚Photon‘

Ausgehend von meinen Thesen über semantische Anreicherung (Akkretion) bzw. Bedeutungs-Faltung (,convolution‘) wird jetzt die Geschichte des Konzepts der Lichtquanten in zwölf Bedeutungsschichten behandelt, die ihre Wurzeln z.T. bereits in den älteren Newtonianischen Teilchentheorien des Lichts haben, z.T. in der sogenannten älteren Quantentheorie der Jahre 1900–1924, der Quantenmechanik ab 1925 und zu guter letzt in der sich daran anschließenden Quantenelektrodynamik und Quantenfeldtheorie (1930 ff.).

Klaus Hentschel

4. Verschiedene mentale Modelle früher Akteure

Kapitel 4 diskutiert mentale Modelle früher Akteure; in 4.1 zunächst Sir Isaac Newtons Vorstellungen zu „globuli of light“ sowie ergänzende Überlegungen einiger seiner wichtigsten Anhänger, in den beiden folgenden Abschnitten dann Einsteins mentales Modell von Lichtquanten um 1909 als eine Singularität des Strahlungsfeldes, sowie Einsteins eigene Zweifel an Lichtquanten 1910–1915. In den Abschn. 4.4-6 folgen Überlegungen von drei einflußreichen Experimentatoren: Johannes Starks mentales Modell von Lichtquanten, J.J. Thomsons mentales Modell harter Röntgen-Strahlung sowie 4.6. Braggs mentales Paar-Teilchen-Modell von γ-Strahlung. Abschn. 4.7 behandelt Plancks, Debyes und Sommerfelds mentales Modell, das die Quantisierung von Energie und Impuls (erfolglos) auf die materiellen Resonatoren im schwarzen Körper zu reduzieren versuchte. Abschn. 4.8 behandelt Gilbert Lewis‚ mentales Modell von Photonen, mit dem der amerikanische Physiko-Chemiker 1926 aus Überlegungen über die zeitliche Symmetrie von Emission und Absorption den Begriff ‚Photon‘ einführte, aber noch völlig falsche Vorstellungen über die angebliche Erhaltung der Photonen-Zahl hatte.

Klaus Hentschel

5. Frühe Rezeption des Konzepts von Lichtquanten

Kapitel 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.

Klaus Hentschel

6. Der Reflex dieser Entwicklungen in Lehrbüchern und im naturwissenschaftlichen Unterricht

Kapitel 6 behandelt den Reflex dieser Entwicklungen in Lehrbüchern und im naturwissenschaftlichen Unterricht. Anhand von Tabellen und Beispielen wird gezeigt, wie acht für die Geschichte der Einführung von Lichtquanten bedeutungsvolle historische Episoden in etwas über 100 untersuchten naturwissenschaftlichen Lehrbüchern sowie fast 40 Praktikumsanleitungen nicht oder nicht adäquat wiedergegeben wurden und bis heute werden. Dadurch werden heranwachsende Naturwissenschaftler im Unterricht wiederholt mit historisch falschen Mythen konfrontiert, die den Weg zu einem tieferen Verständnis von historischen Prozessen, aber auch zu einem adäquaten Verständnis der in Rede stehenden Konzepte wie dem des Lichtquantums alias Photon versperren. Damit wird die Forderung unterstützt, dass gute naturwissenschaftliche Ausbildung von ebenso professioneller Unterrichtung zur Geschichte der Naturwissenschaften und Technik begleitet sein sollte.

Klaus Hentschel

7. ‚Lichtquantum’ als ‚conceptual blendin’

Kapitel 7 reinterpretiert das Konzept ‚Lichtquanten‘ als eine begriffliche Überlagerung im Sinne des kognitiven Modells von ‚conceptual blending‘ von Gilles Fauconnier und Mark Turner (2002). Analog dazu, wie das Konzept eines schwarzen Loches interpretiert werden kann als die Überlagerung der Alltagsvorstellung eines dunklen Loches, in das Objekte wie z. B. Golfbälle hineinrollen können und dann nicht mehr gesehen werden mit dem mathematischen Konzept einer Raum-Zeit-Singularität, analog dazu können Photonen interpretiert werden als die Überlagerung einer aus dem Newtonschen Projektilmodell des Lichts folgenden Vorstellung einer Teilchenartigkeit mit der aus Entropie und Schwankungsbetrachtungen folgenden Vorstellung einer Quantisierung der Energie jener ‚Lichtquanten‘. Die Abb. 7.1–3 liefern drei verschieden fein aufgelöste Beschreibungen für diese Interpretation, die im Kontrast zu der in Kapitel 3 diskutierten und in der Zeit fortschreitenden Deutung nur aus dem historischen Rückblick heraus angestellt werden kann.

Klaus Hentschel

8. Experimente zur Quantenmechanik des Photons seit 1945

Kapitel 8 diskutiert neuere Experimente zur Quantenmechanik des Photons (seit 1945). Dabei beginnt Abschn. 8.1 mit Photonenklumpen, wie sie seit den von Hanbury Brown und Twiss (HBT) 1955–57 ausgeführten Experimenten untersucht werden. Abschn. 8.2–3 setzen fort mit einem Bericht über Experimente an einzelnen Photonen vor dem halbdurchlässigen Spiegel bzw. zu Ein-Photon-Interferenzen von Taylor 1909 bis Grangier et al. (1986). Abschn. 8.4–5 behandeln Experimente von Alain Aspect und seinem französischen Team über EPR Photon-Photon-Korrelationen 1980ff. bzw. Wheelers delayed choice und „Welcher Weg-Experimente“, später fortgeführt (in 8.8) über Quantenverschränkung und Quantenteleportation. Abschn. 8.6 behandelt photon-bunching und den dieses Zusammenclustern von Photonen, die als Spin-1-Teilchen quantenstatistisch gesehen Bosonen sind, experimentell bestätigenden Hong-Ou-Mandel-Dip; der darauf folgende Abschnitt behandelt Photonen-antibunching in der Resonanzfluoreszenz. Der letzte, neunte Abschnitt dieses 8. Kapitels behandelt erst im Februar 2017 bekanntgewordene hochenergetische Streuungs-Experimente mit Bleiionen am Large-Hadron-Collider (LHC) des CERN, die womöglich die erste direkte Beobachtung der Photon-Photon-Streuung darstellen, welche zuvor nur in einer Vielzahl indirekter Indizien getestet werden konnte.

Klaus Hentschel

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

Kapitel 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-verabsolutierendeWellentheorie des Lichts, wie sie auch den Maxwell-Gleichungen der elektromagnetischen Strahlung zugrundeliegt. Beide Interpretationsansätze werden dem sich ab 1909 abzeichnendenWelle-Teilchen-Dualismus nicht gerecht. Daher verteidigen die Abschn. 9.1–2 eine ontologisch zurückhaltende, instrumentalistische Interpretation, die Vermeidung eines naiven Realismus sowie unberechtigter Lokalitäts-Zuschreibungen. Abschn. 9.4 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“ oder ein „elusive beast“.

Klaus Hentschel

10. Zusammenfassung / Abstract

Im 10. Kapitel folgen eine kurze deutsche Zusammenfassung sowie ein englischer Abstract, die Bibliographie aller zitierten oder im Text erwähnten Primär- und Sekundärtexte sowie eine einseitige Auflistung einiger besonders nützlicher Websites zum Thema Lichtquanten Photonen Photoeffekt usw. Man beachte, daß in diesem Buch anders als in Springer-Lehrbüchern nur ein Literaturverzeichnis am Ende des Buches vorliegt, während die Kapitel vorher keine Einzel-Literaturangaben haben, sondern lediglich Kurz-Referenzen im Harvard-System Nachname (Erscheinungsjahr): Seite, die auf die Einträge im Literaturverzeichnis am Ende des Buches verweisen.

Klaus Hentschel

Backmatter

Weitere Informationen

BranchenIndex Online

Die B2B-Firmensuche für Industrie und Wirtschaft: Kostenfrei in Firmenprofilen nach Lieferanten, Herstellern, Dienstleistern und Händlern recherchieren.

Whitepaper

- ANZEIGE -

INDUSTRIE 4.0

Der Hype um Industrie 4.0 hat sich gelegt – nun geht es an die Umsetzung. Das Whitepaper von Protolabs zeigt Unternehmen und Führungskräften, wie sie die 4. Industrielle Revolution erfolgreich meistern. Es liegt an den Herstellern, die besten Möglichkeiten und effizientesten Prozesse bereitzustellen, die Unternehmen für die Herstellung von Produkten nutzen können. Lesen Sie mehr zu: Verbesserten Strukturen von Herstellern und Fabriken | Konvergenz zwischen Soft- und Hardwareautomatisierung | Auswirkungen auf die Neuaufstellung von Unternehmen | verkürzten Produkteinführungszeiten
Jetzt gratis downloaden!

Bildnachweise