Teilchen, Welle, Quantenobjekt, Feld: Quantenmechanik mit oder ohne Dualismus?

    • Teilchen, Welle, Quantenobjekt, Feld: Quantenmechanik mit oder ohne Dualismus?

      Wir haben eine neue sehr interessante Grundsatzdiskussion versteckt unter "Allgemeines" im Thread "Quantenmechanik" darüber, ob z.B. ein Photon oder ein Elektron manchmal Welle und manchmal Teilchen sind. Dafür mach ich hier besser mal einen eigenen Thread auf. Hinweis an alle, die antworten: Bitte bleibt in Euren Erklärungen auf Schulniveau der 10.-13-Klasse, denn das sollen die Leser sein!

      Ich möchte zunächst mal Gerfried zugespitzt beipflichten, um Antworten zu provozieren: Der "Welle-Teilchen Dualismus" ist megaout! :P Wie Feynman es treffend so oder ähnlich gesagt hat: Ein Photon ist nicht montags mal Teilchen und dienstags mal Welle und auch nicht - wie es oft in Schulbüchern steht - in einem bestimmten experimentellen Aufbau immer Welle und in einem anderen immer Teilchen. Nein, es verhält sich überall gleich, auch wenn es auf den ersten Blick nicht so aussieht: Das Standardmodell beschreibt nämlich jedes fundamentale "Quantenobjekt" mit einem völlig einheitlichen mathematischen Formalismus! Leider entspricht der aber keinem Objekt unserer makroskopischen Welt ;( , sodass wir das Problem bekommen, wie wir "das Kind" nennen sollen: Einfach Teilchen, wie Feynman und Gerfried es getan haben, oder komplizierter, wie Peter im Thread Quantenmachnik schreibt: "Zusammengefasst kann man sagen, dass es in der Forschung korrekter ist, wenn von Feldern anstatt von Teilchen gesprochen wird. Für die Vermittlung einiger Konzepte ist es jedoch nützlicher und verständlicher von Teilchen zu sprechen."

      Bevor ich - vielleicht in einer meiner nächsten Einträge - selber was dazu sage, zitiere ich lieber mal meinen geschätzten Kollegen Josef Honerkamp aus seinem SciLog über Heisenbergs "Physik und Philosophie":
      "Für die Übersetzung der Methoden und Ergebnisse der Quantenphysik von der mathematischen Sprache in eine rein verbale, allgemeiner verständliche Sprache sieht Heisenberg zwei Möglichkeiten: Eine davon ist die Nutzung der Alltagssprache im Bewusstsein, dass die klassischen Begriffe, die man dabei benutzt, nur begrenzt taugen, so dass man z.B. manchmal bei einem Quant von einem Teilchen redet, manchmal von einer Welle, aber stets weiß, dass in keinem Fall der klassische Begriff ganz ernst zu nehmen ist. Diese Form der Kommunikation hat sich bis heute durchgesetzt. Wer aber nun die Quantenphysik nur in der Alltagssprache kennen lernt, kann leicht in die Irre gehen. Man spricht so z.B. oft von einem "Teilchen-Welle-Dualismus", ein Wort, das leider oft Verwirrung erzeugt, weil es das Wesentliche verschweigt: Ein Quant ist etwas, womit die Menschen im Laufe der Evolution keine Erfahrung sammeln und wofür sie somit auch keine Vorstellung entwickeln konnten. "Teilchen" und "Welle" können somit nur Bilder sein, die stets nur halbwegs passen. Wer die Quantenphysik nur in der Alltagssprache kennen lernt, hat leider so nicht die geringste Chance, sinnvolle Schlüsse auf diesem Gebiet zu ziehen."

      So, jetzt seid erstmal Ihr dran! ;)
      Viele Grüße, Michael

      The post was edited 1 time, last by MichaelKobel ().

    • Vorbemerkung:
      Egal wie hochtrabend oder lang der folgende Text erscheinen mag, zögert nicht Fragen zu stellen. Auch allgemeine Fragen und Fragen zu Definitionen sind sehr nützlich, da der Stand an Vorwissen für jeden Leser ein anderer sein wird. Schreibt auch, falls es mit dem Vorwissen der Schule gar nicht verständlich sein sollte, dann überlege ich mir etwas anderes zur Beschreibung. Auch muss nicht jedes Detail, das hier steht unumstritten sein, jedoch hoffe ich keine zu großen Ungenauigkeiten oder gar Fehler geschrieben zu haben. Also: antwortet, was euch einfällt.



      Schön, dass es einen eigenen Thread zu diesem Thema gibt. Da mein letzter Beitrag im Thread "Quantenmechanik" wahrscheinlich nicht allgemein verständlich war, fasse ich die Aussagen noch einmal allgemeiner verständlich zusammen.


      Defintion Teilchen

      Als Definition von Teilchen habe ich ein punktförmiges Objekt angenommen, das physikalische Eigenschaften wie Masse, (elektrische) Ladung oder Spin trägt. Das Teilchen besitzt einen eindeutigen Raum- und Zeitpunkt bzw. eine eindeutige Energie und einen eindeutigen Impuls. Es ist also dem Konzept des Massepunktes der klassischen Mechanik sehr ähnlich.


      Verwendung des Teilchenbegriffs in klassischer Mechanik und Quantenfeldtheorien

      Es sind zwei Herangehensweisen an die Naturbeschreibung möglich. Zum einen kann man die Beobachtungen mit Hilfsmitteln, wie dem Konzept des Massenpunktes oder der Teilchen, versuchen zu beschreiben und an Hand der Beobachtungen Vorhersagen zu treffen. Dabei muss das Hilfsmittel nicht zwangsläufig eine exakte Entsprechung in der Wirklichkeit haben. Berechnet man Planetenbahnen, reicht es zunächst aus die Planeten als Massenpunkte anzunehmen. Erst wenn man genauere Ergebnisse gewinnen will, muss man die endliche Ausdehnung der Planeten einbeziehen. Der Massenpunkt ist hier eine Vereinfachung.
      Eine andere Methode zur Beschreibung besteht in der Anwendung allgemein als Grundlegend erkannter Prinzipien. Diese möchte ich nur nennen ohne im Detail darauf einzugehen. Eines ist das Prinzip der kleinsten Wirkung, auch Extremalprinzip genannt, mit ihm kann man die zeitliche und räumliche Entwicklung eines physikalischen Systems beschreiben. Das bedeutet man kann aus allgemeinen Überlegungen z.B. das Newtonsche Kraftgesetz der Mechanik ableiten. Das andere Prinzip stellen Symmetrien der Theorie dar. Sie bilden eine Verallgemeinerung der Erhaltungssätze wie Energie- oder Impulserhaltung.
      In der klassischen Mechanik benötigen beide Herangehensweisen das Konzept des Massenpunktes.

      Die beiden Vorgehensweisen über Modell und allgemeine Prinzipien kann man in einer Quantentheorie naiv ebenfalls nutzen, jedoch ist die Anschauung schwieriger. Ein punktförmiges Teilchen kann nun z.B. einen Spin besitzen, der mit einem Drehimpuls verknüpft ist. Die Drehung eines punktförmigen Objekts ist jedoch nur schwer vorstellbar. Dennoch kann man versuchen spezielle Systeme mit dieser Vorstellung zu beschreiben. Versucht man jedoch in einer Quantentheorie ein System an Hand allgemeiner Prinzipien zu beschreiben, kann man zunächst wieder Extremalprinzip und Symmetrien verwenden. Diesmal benötigt diese Herangehensweise allerdings das Konzept eines veranschaulichten "Teilchens" nicht! Im Allgemeinen bestehen die Vorhersagen einer Quantentheorie nicht in einer räumlichen und zeitlichen Entwicklung eines Systems, sondern aus Wahrscheinlichkeiten dafür bestimmte Messwerte zu erhalten.

      In der Quantenfeldtheorie selbst tauchen keine Teilchen als solche auf, an ihre Stelle treten in der Theorie Felder, ähnlich dem elektrischen und magnetischen Feld der Elektrodynamik. Es gibt für die elektrisch geladene Felder erstaunliche Experimente, die auf einen Teilchencharakter hinzuweisen scheinen - der Nachweis geladener Objekte in Blasenkammern oder sogar deren Nachweis in den Schichten der Teilchendetektoren am LHC. Für die starke und schwache Wechselwirkungen existieren solche Experimente jedoch nicht. Behandelt man die elektromagnetische Wechselwirkung im Sinne der modernen Physik also wie den Spezialfall einer allgemeinen Wechselwirkung ist keine Identifikation der zugehörigen Felder mit "realen" Objekten möglich. Eine solche Identifikation ist dann und nur dann möglich, wenn man einen historischen, auf klassische Analogien gestützten Zugang zur Quantentheorie wählt. Dies ist der häufig eingeschlagene Weg, da er zunächst den Alltagserfahrungen am wenigsten zu widersprechen scheint. Es ist ebenfalls der Weg der "Nutzung der Alltagssprache", wie Josef Honerkamp die Worte Heisenbergs wiedergibt.

      Zusammenfassend kann man sagen, dass die Verwendung des oben genannten Teilchenbegriffs ein Versuch ist mit den neuen Erkenntnisse der Quantentheorie gegenüber der klassischen umzugehen. Sie bilden damit ein nicht korrektes Analogon zur klassischen Mechanik und über sie zur "Alltagserfahrung". Der Welle-Teilchen-Dualismus ist ein Beispiel für die Grenzen des Teilchenkonzepts.
    • Für mich ist das Wort "Teilchen" so schön allgemein gelassen, dass man an dieser Stelle fast alles einsetzen kann. Insbesondere der Begriff "Punktteilchen" ist ein sehr netter Anschauungsbegriff, den man herziehen kann, wenn man die Größe selbst vernachlässigen kann bzw möchte. Aber damit kann ich nicht wirklich quantenmechanisch arbeiten (Betrachtungen einzelner Punkte in Raum oder Zeit ist in den Standardmodellen der Quantenmechanik mathematisch mehr als zweifelhaft). Dennoch bekomme ich eine Art Lokalisierung durch Messung. Das soll heißen, wenn ich ein einzelnes Elektron (oder Photon oder was auch immer) messe, dann bekomme ich keine Welle sondern eine lokale Aussage.

      Am Beispiel des Doppelspalts: ich bekomme nicht sofort das ganze Interferenzmuster, sondern einen einzelnen Punkt und wenn ich langsam ein Photon nach dem anderen durch den Doppelspalt schicke, dann bildet sich Punkt für Punkt ein Interferenzmuster heraus.

      Die Welle sagt mir nur, wie wahrscheinlich es ist, dass der nächste Punkt in einem festgelegten Gebiet auf der Photoplatte auftaucht. In der klassischen Analogie heißt das für mich: Quantenobjekte werden als Teilchen gemessen. Daher finde ich es besser diese Objekte als Teilchen zu bezeichnen, auch wenn ich keine Ahnung habe, wie man wirklich das Wort "Teilchen" definieren sollte. Und wenn irgendjemand eine Definition für "Teilchen" niederschreibt, die mal nicht so unglaublich schwammig ist, dann gibt es garantiert irgendwelche Fälle, die davon nicht erfasst werden und man muss einen neuen Begriff einführen.

      Peter Drechsel wrote:

      Defintion Teilchen

      Als Definition von Teilchen habe ich ein punktförmiges Objekt angenommen, das physikalische Eigenschaften wie Masse, (elektrische) Ladung oder Spin trägt. Das Teilchen besitzt einen eindeutigen Raum- und Zeitpunkt bzw. eine eindeutige Energie und einen eindeutigen Impuls. Es ist also dem Konzept des Massepunktes der klassischen Mechanik sehr ähnlich.


      Was mir an dieser Definition nicht gefällt ist, dass Sachen wie Ort und Impuls für ein Teilchen jederzeit vorliegen müssen. Damit gibt es in der Quantenmechanik keine Teilchen. Aber auch das löst das Welle-Teilchen-Dilemma, denn wenn eine Theorie keine Teilchen zulässt, dann braucht man darüber auch nicht weiter nachzudenken.

      Beste Grüße
      Tobias
    • Ich denke, mir wird langsam bewusst, worin die Unterschiede in den Auffassungen zum Thema "Teilchen" liegen.
      Meine angegebene Definition ist durch die mathematische Beschreibung physikalischer Systeme motiviert. Ich möchte diese Motivation im Folgenden etwas verdeutlichen. Jedoch geht es mir nicht um die Definition an sich, sondern um die Argumentation, weshalb der Begriff nicht sinnvoll für Quantenfeldtheorien ist.


      Freiheitsgrad eines physikalischen Systems in der klassischen Mechanik

      In der klassischen Mechanik kann einem Massenpunkt ein Ortsvektor zugewiesen bekommen. Dessen zeitliche Entwicklung beschreibt dessen Dynamik. Für ein freies Teilchen kann man drei voneinander unabhängige räumlichen Koordinaten finden, sie werden bezeichnet als Freiheitsgrade des physikalischen Systems, hier des Massenpunktes. Findet man diese Freiheitsgrade eines allgemeinen physikalischen Systems als Funktionen der Zeit, kann das physikalische System vollständig beschrieben werden. In der klassischen Mechanik ist der Ort also eine sinnvolle Messgröße. Der Weg eines Teilchens kann "nachgezeichnet" werden.


      Freiheitsgrad eines physikalischen Systems in der klassischen Elektrodynamik

      Die klassische Elektrodynamik ist eine Feldtheorie. Die Maxwell-Gleichungen beschreiben die räumliche und zeitliche Entwicklungen der Größen magnetisches und elektrisches Feld. Felder sind hier Abbildungen, die jedem Punkt im Raum zu jeder Zeit eine Zahl oder einen Vektor zuweisen. Damit sind diese Felder die Freiheitsgrade der klassischen Elektrodynamik, sie werden Feldfreiheitsgrade genannt. Sie können nicht direkt gemessen werden, sondern nur über ihre Auswirkungen, z.B. auf elektrisch geladene Objekte mittels einer der Coulomb- oder Lorenz-Kraft. Den Feldfreiheitsgraden entspricht keine sinnvolle Messgröße.


      Freiheitsgrade im Standardmodell

      Das Standardmodell ist eine Quantenfeldtheorie. Sie wird abgeleitet von einer klassischen Feldtheorie. Bei dieser Ableitung werden die spezielle Relativitätstheorie und die Heisenbergsche Unschärferelation genutzt. Eine Besonderheit gegenüber der klassischen Mechanik oder der Quantenmechanik stellt dabei die schon weiter oben von Michael erwähnte "völlig einheitliche mathematische" Beschreibung aller "fundamentalen Quantenobjekten". Konkret heißt das, dass sowohl die bekannten Fermionen - Elektronen, Quarks, Neutrinos - als auch die Bosonen - Photonen, W/Z-Bosonen, etc. - einheitlich als Feldfreiheitsgrade beschrieben werden. Obwohl in Feynamn-Diagrammen immer noch die Vorstellung von sich räumlich-zeitlich bewegenden "Teilchen" suggeriert wird, so ist dies hier ausschließlich eine Veranschaulichung komplexer Formeln. Es ist nicht möglich die räumlich-zeitliche Entwicklung eines Freiheitsgrades der Theorie im klassischen Sinne "nachzuzeichnen".


      Messwerte

      Ich hoffe der Grund für meine Definition wurde durch diese kurze Ausführung deutlich. Die Definition ist eine ganz klar der Anschauung und Vorstellung verhaftet und versagt unweigerlich sofern man versucht sie auf eine Feldtheorie anzuwenden. Obwohl diese Tatsache zunächst fatal erscheint ist das Standardmodell dennoch in der Lage Voraussagen für Messwerte zu treffen. Genauer ist es in der Lage in Abhängigkeit von einem Messwert die Wahrscheinlichkeit für einen anderes Messergebnis einer Folgemessung zu bestimmen - einfach gesagt sagt das Standardmodell Beziehungen zwischen Einzelmessungen vorher. Das ist möglich, da ein Messwert - eine Observable - in der Quantenfeldtheorietheorie zwar über die Freiheitsgrade definiert wird, jedoch von deren Interpretation unabhängig ist. Auch wird die Ortsinformation hier nicht mehr benötigt, sondern ausschließlich die Impulsinformation.
      Ein einfaches, skizzenhaftes Beispiel sind die Experimente am Large Hadron Collider (LHC) und die Messwerte des ATLAS-Detektor am CERN. Aus der mit dem ATLAS-Detektor durchgeführten (zweiten) Messung können bei genügend großer Zahl an Messungen die statistischen Vorhersagen für die Häufigkeit bestimmter Messergebnisse des Standardmodells überprüft werden. Die Ausgangsinformation ist durch den bekannten Beschleunigungsvorgang bekannt (erste Messung).


      Das Doppelspalteperiment

      Ich bin mir nicht mehr sicher, aber ich denke das Doppelspaltexperiment wird als Streuexperiment in der Quantenmechanik beschrieben. Diese ist jedoch weniger fundamental als Quantenfeldtheorien und lässt damit noch keine konsistenten Rückschlüsse auf das Wesen der elektromagnetischen Wechselwirkung zu. Mehr noch, die Einzelmessung lässt noch keinen eindeutigen Schluss auf die Existenz von Licht-"Teilchen" im obigen Sinne zu, lediglich der Messwert verhält sich ähnlich einem an "Teilchen" durchgeführten. Das lässt aber noch keinen Rückschluss auf die Vorgänge zwischen den beiden Messungen Emission und Absorption von Licht zu.
      Falls sich jemand mit der Streutheorie hier besser auskennt, kann er oder sie ja etwas Genaueres dazu schreiben :)


      Zusammenfassung

      Tobias hat in gewisser Weise Recht mit seiner Aussage

      [...] wenn eine Theorie keine Teilchen zulässt, dann braucht man darüber auch nicht weiter nachzudenken.


      Um eine vorhesagekräftige, widerlegbare Theorie der elementaren Wechselwirkungen zu formulieren ist die Einführung von "Teilchen" im Sinne des Welle-Teilchen-Dualismus nach dem aktuellen Erkenntnisstand nicht notwendig.
    • Es geht doch nur um Anschauung

      Lieber Peter

      Ich glaube Du redest über etwas ganz anderes. Uns (Gerfried,Tobias, mir) geht es gar nicht um das "Wie" der genauen
      mathematischen Behandlung in der Theorie, sondern nur darum, dass sie einheitlich für alle elementaren Objekte
      unsreres Universums ist. Die mathematische Beschreibung braucht keinen Dualismus, kein "mal-so mal-so".
      Wenn wir "Teilchen" sagen, meinen wir daher nicht das "TEILCHEN" aus dem "TEILCHEN-WELLE Dualismus" (ich schreib das
      jetzt mal absichtlich groß, um unser Wort "Teilchen" vom "TEILCHEN" dieses dualismus zu unterscheiden. ) Wir meinen also
      nicht, dass innerhalb dieses Dualismus das TEILCHEN gewinnt. Nein, den gesamten Dualismus gibt es gar nicht! Zumindest
      nicht physikalisch, so, wie es oft irreführend dargestellt wird, sondern höchstens sprachlich weil wir versuchen, unbedingt
      Begriffe aus dem Alltag zu verwenden. Die einheitliche mathematische Beschreibung sagt uns aber,
      dass man gar nicht 2 Begriffe braucht, sondern nur einen, egal welchen:
      Quantenobjekt = Feld = TEILCHEN+WELLE und dann eben (bei Gerfried und mir) auch der Einfachheit halber = Teilchen.

      Und auch zu einem weiteren Punkt wollte ich noch etwas ergänzen: Wenn Peter davon spricht,
      dass die klassischen Vorstellungen von "hat gleichzeitig Ort und Impuls" für unser "Teilchen" versagen, dann spielt sich
      das z.B. beim LHC in Größenordnungen von Ortsunschärfen ab, die ca. so groß oder noch kleiner sind als ein Proton.
      Quantenmechanische "Interferenzeffekte" d.h. gegenseitige Auslöschung von bei den Kollisionen entstehen Teilchen
      passieren also noch innerhalb der Protonen, die im LHC kollidieren, dort wo man den Prozess mit Feynmandiagrammen
      beschreibt. Sind dann dort erstmal Teilchen entstanden, fliegen sie auf (fast) klassischen Bahnen in den
      Detektor und hinterlassen dort ihre Muster. Das (fast) schreibe ich deshalb, weil es natürlich weiterhin die
      Ortsunschärfe von 0,000.000.000.000.001 m gibt, die aber bei Flugstrecken von 10m natürlich egal sind.
      Ist also aus einer Kollission erstmal ein Teilchen, z.B. ein Myon, entstanden, dann fliegt es tatsächlich auf einer nachmessbaren
      gekrümmten Bahn in den Detektor, ganz wie es ein kleines klassisches Kügelchen tun würde.

      Und ich glaube darum denken zumindest dei experimentellen Teilchenphysiker gern in Bilder von kleinen
      Kügelchen, weil sie sich so oft und gerne die Teilchenspuren anschaun, so wie das auch die Jugendlichen
      im Netzwerk Teilchenwelt bei den Messungen mit den echten LHC Daten tun.

      :rolleyes: Michael

      The post was edited 3 times, last by MichaelKobel ().

    • Lieber Michael,

      du hast natürlich Recht, es geht nur um die Anschauung. Jedoch muss immer beachtet werden was womit veranschaulicht wird. Im gewählten Zusammenhang war dies die Veranschaulichung von Feldfreiheitsgraden mit einem klassischen Teilchenbild.

      Mit deiner Erklärung zu den Messungen am ATLAS-Detektor triffst du den Nagel schon auf den Kopf: bei der Messung verhalten sich die Feldfreiheitsgrade klassisch. Dort ist die Anschauung mit einem Teilchen sinnvoll. Allerdings kann keine solche Anschauung innerhalb des Protons, d.h. zwischen zwei Messungen gemacht werden. Dort von Teilchen zu sprechen führt ja genau auf das Verständnisproblem im Welle-Teilchen-Dualismus. Noch deutlicher wird dieser Gedanke beim Doppelspaltexperiment: Photonen werden von einer Quelle emittiert und an einer anderen Stelle, hinter einem Doppelspalt wieder als einzelne Photonen gemessen. Diese Anschauung versagt jedoch sofort, möchte man mit ihr einen genauen Weg einzelner Photonen durch den Doppelspalt nachzeichnen.
      Ich habe auf den mathematischen Zusammenhang nur deswegen hingewiesen um zu zeigen, dass allgemein eine Veranschaulichung physikalischer Prozesse mit Teilchen nicht möglich ist.

      Dieser Ansatz scheint zunächst sicher unnötig kompliziert, wenn man doch mit der Anschauung so schön "arbeiten" kann. Er vermittelt jedoch eine der grundlegenden Eigenschaften der Quantentheorie: Messungen können jederzeit an physikalischen Systemen vorgenommen werden, jedoch kann die zeitliche Entwicklung von Messung A zu Messung B durch die gleiche Messvorschrift nicht beobachtet werden ohne das physikalische System zu beeinflussen. Oder anders formuliert: wir können nur zwei Messwerte in Relation zueinander setzen ohne exakt und eindeutig zu verstehen wie sich das System zwischen den Zeitpunkten der Messung verhält.

      Um noch einmal kurz zusammen zu fassen und auf Gerfireds Ausgangsaussage zurück zu führen:
      Zu sagen Licht bestünde aus Teilchen ist irrig, denn es verhält sich nur bei einer Messung so wie Teilchen. Nimmt man die Aussage, Licht bestünde deshalb immer aus Teilchen ernst, kommt man in die Verlegenheit den Welle-Teilchen-Dualismus bemühen zu müssen, da sich die Fragen nach den Teilchenbahnen nun aufdrängt.

      Oder salopp theoretisch gesprochen gesprochen:
      Äußere Felder erlauben Teilcheninterpretation (siehe LSZ-Theorem: wechselwirkungsfreie Felder, da zeitlich unendlich weit von Wechselwirkungspunkt entfernt), innere Felder nicht (sie sind nicht wechselwirkungsfrei).

      Peter
    • Prinzipiell ging es mir initial nur um den Begriff des Welle-Teilchen-Dualismus, der meiner Meinung nach obsolet ist, zu völlig falschen Annahmen, Bildern und Interpretationen führt und daher hiermit von mir in dieser Diskussion auch zum letzten Mal verwendet wurde.
      Meinem Geschmack nach ufert auch diese Diskussion viel zu weit aus, was an sich ja ein positives Zeichen für einen gesunden Diskurs ist, aber dann sollten wir für die jeweiligen Themen auch eigene threads aufmachen. Ansonsten reden wir zu oft aneinander vorbei und die Erörterungen erreichen erneut Potemkinsche Zustände. Ich erlaube mir daher den Fokus noch einmal auf mein ursprüngliches Statement zu lenken und noch einmal offen zu legen, warum ich nach wie vor der Meinung bin, dass die Aussage “Licht besteht aus Photonen” weder irrig, zu kurz gedacht noch veraltet ist!

      Newton postulierte 1672 die Teilchenhypothese des Lichts (Lichtkorpuskel). Spätestens seither stehen die Lichtteilchen im Raum. Dass dazwischen Huygens Arbeiten zur Beschreibung von Wellen kombiniert mit Youngs Doppelspaltexperiment Ergebnissen zur Einführung der “Wellennatur” führten, lag an der fehlenden experimentellen Bestätigung der Photonen. Diese lieferte Einsteins Photoeffekt 1905.

      Betrachten wir das Experiment: Zum Photoeffekt kommt es, wenn man eine Metalloberfläche mit monochromatischem Licht (einfarbiges Licht, also bestehend aus Photonen gleicher Energie) bestrahlt. Dann wird ein Teil der Photonen reflektiert beziehungsweise gibt seine Energie an das Metall ab. Der andere Teil der Photonen kann allerdings unter gewissen Umständen Elektronen aus dem Metall herauslösen. Dabei ist äußerst interessant, dass es nicht von der Intensität des Lichts (wie viele Photonen auf der Metalloberfläche auftreffen) abhängt, sondern nur von der jeweiligen Energie der Photonen. Erst wenn diese einen gewissen Wert überschreitet, lässt sich der Photoeffekt beobachten!
      Dazu führe ich noch einmal den bereits erwähnten Feynman’schen Photonenklicker (aufbauen auf dem Prinzip des Photomultipliers) an, mit dem man im stark abgeschirmten Zustand kein konstant niedriges Signal, sondern sowohl zeitlich als auch räumlich eng abgegrenzte Signale misst.
      Diese Befunde genügen mir in ausreichender Form, um nach wie vor vehement an den Photonen festzuhalten und mich gegen andere Formen der Beschreibung des Lichts zu wehren.
      In der Quantentheorie hat schließlich das Primat des “Wie?” gegenüber dem “Warum?” zu gelten, wie Feynman bereits in seiner QED anmerkt:

      “Ein weiterer Grund, warum sie das, was ich Ihnen vortrage, nicht zu verstehen glauben könnten, mag sein, dass Sie nicht begreifen, warum die Natur so verfährt, während ich Ihnen doch beschreibe, wie sie verfährt. Das Warum versteht nämlich niemand. Ich kann nicht erklären, warum sich die Natur so und nicht anders verhält.” (Feynman, Richard P.: QED - Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie, Piper Verlag, 14. Auflage 2009, S.20)

      Den Einwand “Nimmt man die Aussage, Licht bestünde deshalb immer aus Teilchen ernst, kommt man in die Verlegenheit den Welle-Teilchen-Dualismus bemühen zu müssen, da sich die Fragen nach den Teilchenbahnen nun aufdrängt.” kann ich nicht nachvollziehen. Dem Bahnbegriff an sich kommt in der Quantentheorie ohnehin keine Bedeutung mehr zu.

      Des Weiteren würde ich raten, auf Grundsatzdiskussionen wie “was sind Teilchen eigentlich?” zu verzichten. Das sind nun mal unsere Begriffe aus der Alltagssprache, die wir verwenden, und die uns bis zu einem gewissen Grad nützliche Dienste leisten. Ob wir sie jetzt Teilchen oder Quantenobjekte nennen, erscheint mir in erster Linie als nicht unbedingt wichtig, so lange deren Distinktheit erhalten bleibt.
    • Hallo Gerfried,

      ich gebe zu, meine Herangehensweise an das Thema ist etwas theoretisch. Wir gehen schon von den gleichen Grundsätzen aus, wir trennen uns nur an einer Stelle voneinander. Auch bei mir ist das Primat des "Wie?" gegenüber dem "Warum?" gegeben. Langsam glaube ich wirklich, dass es sich um ein einfaches Missverständnis handelt oder ich mich extrem undeutlich ausgedrückt habe. Ich den Dissens noch einmal so zu beschreiben, wie ich ihn gerade sehe. Du kannst ja einfach an der Stelle, an der ich dich missverstanden habe einhaken :)


      Ausgangspunkt sind zwei Messungen - im Doppelspaltexperiment z.B. die Kenntnis einer Lichtquelle als zeitlich erste und eine Messung auf einem Schirm als zeitlich zweite. Jetzt geht es darum, wie man von der ersten Messung die zweite, wenigstens statistisch vorhersagen kann.

      Meine Herangehensweise war über die theoretische Beschreibung des Problems. Um die raumzeitliche Entwicklung des Systems zu beschreiben benötigt man die Bewegungsgleichungen der Freiheitsgrade des Systems. Dabei sind die einzigen experimentell zugänglichen Größen die beiden Messungen zu den jeweiligen Zeiten an bestimmten Orten. Über diese beiden Messungen können Aussagen getroffen werden, es können auch die Messungen interpretiert werden.

      Ich hatte dich so verstanden, als ob das Licht deiner Meinung nach auch an allen anderen Raumzeitpunkten, die verschieden von denen der Messung sind, eine Interpretation als Teilchen besitzt. Das klang für mich eher nach einem Primat des "Warum?" gegenüber dem "Wie?". Genau genommen stellt sich die Frage nach der Veranschaulichung der Dynamik ohne die Frage nach dem "Warum?" eigentlich gar nicht.


      Hoffentlich ist damit meine etwas langwierige Herangehensweise deutlicher geworden und die Stelle unseres Missverständnisses kann schnell gefunden werden.


      PS: Die Einrichtung des Threads Physik und Philosophie halte ich für eine gute Idee. Er könnte viele Leser interessieren.

      The post was edited 1 time, last by Peter Drechsel ().