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2023 | OriginalPaper | Buchkapitel

Lichtteilchen?: Ein Versuch, etwas Licht auf Photonen zu werfen

Ein Versuch, etwas Licht auf Photonen zu werfen

verfasst von : Oliver Passon

Erschienen in: Unbestimmt und relativ?

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Die in Schule und Hochschule verbreitete Einführung des Lichtquanten- bzw. Photon-Konzepts enthält einige historische und fachliche Ungenauigkeiten, die einem angemesseneren Verständnis leicht im Wege stehen können. Dieser Beitrag korrigiert einige dieser problematischen Darstellungen, erläutert das aktuelle Photon-Konzept möglichst untechnisch und macht Vorschläge zu einer didaktisch günstigeren Behandlung.

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Aber wirklich „anschaulich“ möchte man diese Erklärungen auch nicht nennen, denn wie Licht an einem Hindernis „geblockt“, an einem Spiegel „reflektiert“ oder beim Eintritt in Wasser „gebrochen“ wird, lässt sich gar nicht beobachten (also „anschauen“). Der tatsächlich wahrgenommene Eindruck entspricht natürlich nicht diesen „mechanischen“ Vorstellungen, sondern eher dem Folgenden: Im Schattenraum kann die Lampe nicht mehr gesehen werden, im Spiegel habe ich den Blick in einen „Spiegelraum“, in dem zwar die gleichen optischen Gesetze gelten, die Objekte jedoch nicht mehr berührt werden können, und beim Blick ins Wasser erscheint mir die Ansicht „gehoben“. Eine solche „phänomenologische Optik“ bzw. „Optik der Bilder“ (Maier 1993), die auf die identischen objektiven Gesetze führt, aber dennoch das erlebende Subjekt in den Mittelpunkt stellt, wird leider nur an wenigen (Waldorf-)Schulen gepflegt.

Damit klingt bereits hier das Motiv der „Erkenntnisgrenze“ an, das innerhalb der Quantenphysik eine noch größere Rolle spielt. Es existieren jedoch auch Methoden der sog. Superauflösungsmikroskopie, die es erlauben, die Beugungsgrenze von Abbe zu umgehen (Passon und Grebe-Ellis 2016). Es ist nicht ohne Ironie, dass einige dieser Verfahren gerade Quanteneigenschaften der Licht-Materie-Wechselwirkung ausnutzen. Hier ist es also die vorgeblich „unbestimmte“ neue Physik, die eine genauere Auflösung liefert, als die „alte Physik“.

Einstein führt 1905 den Begriff „Lichtquant“ ein und ab ca. 1926 setzte sich die Sprechweise „Photon“ durch. Die Literatur enthält in der Regel den Hinweis, dass der amerikanische Chemiker Gilbert Lewis 1926 den Begriff „Photon“ erfunden hat. Dies ist nicht ganz richtig, denn bereits 1916 taucht er in einer Arbeit des Physikers und Psychologen Leonard T. Troland auf (Kragh 2014). Ich verwende im Folgenden die Ausdrücke „Lichtquant“, „Lichtteilchen“ oder „Photon“ synonym. Der entscheidende Unterschied betrifft vielmehr das „Photon der aktuellen Fachwissenschaft“ und das „Photon“ bzw. „Lichtquant“ der populären und didaktischen Diskussion.

Der Compton-Effekt besteht in der Streuung von Röntgenstrahlung an Elektronen, bei denen (abhängig vom Streuwinkel) eine charakteristische Wellenlängenveränderung auftritt. Arthur H. Compton (und ebenfalls Peter Debye) gelang es, diesen Vorgang als Stoß zwischen teilchenhaften Photonen und Elektronen zu beschreiben.

Kritik an der herkömmlichen Einführung des Photon-Konzepts ist dabei alt – aber scheinbar folgenlos; siehe etwa Scully und Sargant (1972), Simonsohn (1981), Strnad (1986a), Kidd et al. (1989) und Jones (1991).

Kurioserweise wurde George P. Thompson 1937 der Physik-Nobelpreis für den Nachweis der Elektronenbeugung verliehen. Es war also der Sohn, der (vereinfacht ausgedrückt) zeigte, dass das vom Vater gefundene „Teilchen“ eigentlich eine „Welle“ ist.

Durchaus umstritten ist dabei, ob Planck zu diesem Zeitpunkt den Rahmen der Kontinuumsphysik bereits verlassen hat (siehe Passon und Grebe-Ellis (2017) für eine Darstellung der Debatte in der Physikgeschichte).

Richtig ist jedoch, dass er einen mathematisch äquivalenten Ausdruck für \(h\) verwendete – die „Lichtquantenformel“ \(E=h\cdot \nu\) taucht also nicht der Form, aber der Sache nach, bei Einstein (1905) durchaus auf. Wie ist es aber möglich, dass man mit einem Strahlungsgesetz von 1896 eine quantentheoretische Vorhersage über Strahlung herleiten kann? Technisch gesprochen liegt dies daran, dass das Planck’sche Strahlungsgesetz im Grenzfall hoher Frequenzen das Wien’sche Gesetz enthält.

Der Begriff der „klassischen Physik“ ist nicht unproblematisch, worauf vor allem von Richard Staley (2005) hingewiesen wurde. Man sollte bei seiner Verwendung bedenken, dass es sich um eine analytische Kategorie handelt, die erst in der Rückschau jeweilige Gemeinsamkeiten und Unterschiede hervorhebt (und gelegentlich auch überbetont). Es ist deshalb auch schon der Vorschlag gemacht worden, auf den Begriff „klassische Physik“ ganz zu verzichten. Da ich im Folgenden jedoch unter anderem ein Konzept diskutiere, für das sich der Name „semi-klassische Näherung“ eingebürgert hat, kann ich hier diesem Vorschlag nicht sinnvoll nachkommen.

Gelegentlich trifft man auch die Sprechweise von „identischen Teilchen“ an. Diese ist aber nicht gut.

Rudolf Peierls (selber ein Pionier der Quantenphysik) beschreibt genau diesen Unterschied in seinem schönen Buch „Surprises in Theoretical Physics“ von 1979. In Abschn. 1.3 („waves and particles“) erinnert er zunächst daran, dass der Welle-Teilchen-Dualismus von Licht und Materie in der Frühzeit der Theorie eine bedeutende heuristische Rolle gespielt hat. „Es mag deshalb überraschen“, schreibt er, „dass die Analogie zwischen Licht und Materie sehr bedeutenden Einschränkungen unterliegt“ (S. 10, Übersetzung OP). Im Anschluss an diese Bemerkung gibt er eine recht untechnische Erläuterung dessen, was oben bloß kurz skizziert wurde.

Richtig ist jedoch, dass Einstein den Nobelpreis 1921 (erst 1922 verliehen) für „seine Verdienste um die theoretische Physik, besonders für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts“ verliehen bekam. Dies zeigt aber vor allem, dass die zeitgenössische Rezeptionsgeschichte genau so seltsam war wie die heutige.

Für die Experten: Das kontinuierliche Strahlungsfeld wird mit dem Dipoloperator multipliziert in den Hamiltonian eingefügt.

Natürlich kann man diese Effekte auch innerhalb der Quantenelektrodynamik betrachten – also quasi mit „Kanonen auf Spatzen schießen“. Wie das etwa für den Doppelspaltversuch ausgeht, beschreibt Jones (1994), und Kuhn und Strnad (1995) diskutieren unter anderem den Photoeffekt aus dieser Perspektive. In allen Fällen zeigt sich jedoch, dass „Photonen“ im naiven Verständnis gar keine Rolle spielen. Einen Sonderfall stellt hier vielleicht der Compton-Effekt dar. Er ist sogar ein Lehrbuch-Beispiel für eine QED-Anwendung, obwohl das QED-Resultat in unterster Näherung auch semi-klassisch gewonnen werden kann (Klein und Nishina 1929). Für „höhere Korrekturen“ (also feinere Details) spielen QED-Effekte dann durchaus eine Rolle. Aber auch hier nicht im Sinne eines naiven (teilchenhaften) Photons, sondern als abstrakte Feldanregungen (Peskin und Schroeder 1995, S. 22), die lediglich im Physikerinnen- und Physiker-Jargon „Teilchen“ genannt werden.

Nur ein Jahr später (am 25. September 1933) beendete Paul Ehrenfest sein Leben durch Suizid. In seinen Briefen aus der Zeit drückte er immer wieder das Gefühl aus, zur Entwicklung der Quantentheorie nichts mehr Sinnvolles beitragen zu können, da „die Jungen“ an mathematischer Gewandtheit und Geschicklichkeit so sehr überlegen seien. Die „Erkundigungsfragen“ sind vor diesem Hintergrund ein bewegendes Dokument eines „Alten“ (Ehrenfest war gerade 52 Jahre alt), der nach eigenem Urteil einige „sinnlose Fragen“ vorbringt.

In der Maxwell-Theorie berechnet sich die Energiedichte eines elektromagnetischen Feldes (in üblicher Schreibweise und bis auf Vorfaktoren) als: \({E\left(x,t\right)}^{2}+{B\left(x,t\right)}^{2}\).

Die Gleichgewichtsbedingung ist dabei leicht einzusehen: Offensichtlich müssen pro Zeiteinheit gleich viele Übergänge \({E}_{1}\to {E}_{2}\) wie \({E}_{2}\to {E}_{1}\) stattfinden.

Interessanterweise folgt das Wien‘sche Strahlungsgesetz, wenn man auf den Mechanismus der induzierten Emission verzichtet.

Dies ist analog zum einfachen Pendel (vornehm: „Harmonischer Oszillator“) in der Quantenmechanik, für dessen Energie im \(n\)-ten Anregungszustand die Beziehung \({E}_{n}=\left(n+\frac{1}{2}\right)\cdot h\nu\) gilt, d. h. auch für \(n=0\) liegt eine nichtverschwindende sog. Nullpunktsenergie vor.

Natürlich ist auch diese Geschichte etwas komplizierter und die Vakuumenergie erklärt bloß 50 % des Effektes. Für die andere Hälfte muss man andere Methoden anwenden (Milonni 1983), aber dabei versteht man zusätzlich, warum der Vorgang der „spontanen Absorption“ nicht auftreten kann. Schade eigentlich, denn damit ließen sich alle unsere Energieprobleme vollkommen regenerativ lösen.

Die weiter oben zitierten QED-Effekte wie „Lamb-Verschiebung“ und „Casimir-Effekt“ verdanken ihre Erklärung ebenfalls solchen Nullpunkts- oder Vakuumenergien.

Zustände mit definierter Photonenzahl (vor allem „1-Photon-Zustände“) können überhaupt erst seit den 1970er Jahren erzeugt werden. Dies ist aufwendig und teuer!

Banales Beispiel: Genauso wie die Zahl „5“ als „4 + 1“ geschrieben werden kann, gilt ebenfalls die Gleichung „5 = 3 + 2“ oder „5 = 7 − 2“. Auch hier ist keine „Darstellung“ ausgezeichnet und keine dieser Gleichungen verrät uns mehr über die Zahl fünf, als eine andere.

Tatsächlich kann man argumentieren, dass die vorgeblichen „Welleneigenschaften“ des Elektrons ebenfalls bloß metaphorisch aufzufassen sind. Zum Beispiel ist die Wellenfunktion des Elektrons im Allgemeinen auf einem abstrakten hochdimensionalen Raum definiert. Die Analogie zu gewöhnlichen „Wellen im Raum“ ist hier also ebenfalls eingeschränkt und das heuristische Konzept des „Welle-Teilchen-Dualismus“ stößt an seine Grenzen.

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Titel: Lichtteilchen?: Ein Versuch, etwas Licht auf Photonen zu werfen
verfasst von: Oliver Passon
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Buch: Unbestimmt und relativ?
Print ISBN: 978-3-662-65643-3

Electronic ISBN: 978-3-662-65644-0

Copyright-Jahr: 2023
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-65644-0_7

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