Stefan Taube· 31.05.10 · 22:47 Uhr

Also ich finde diese Aktion große klasse! Sehr zu empfehlen ist auch die Blogserie zu "Wie Mathematiker ticken" auf http://www.scienceblogs.de/mathlog/

Normalerweise werden ja Bücher als ganzes rezensiert, aber das kapitelweise zu machen ist einem Blog doch viel angemessener. Mit Deinen Erläuterungen und den Leser-Kommentaren entsteht so eine virtuelle Lesegemeinschaft. Das macht viel mehr Spaß, als wenn man sich mit den ja nicht immer einfachen Büchern alleine beschäftigt. Ich kann nur hoffen, dass Ihr auf den Scienceblogs immerwieder mal Lust habt auf diese Art zu bloggen.

 Ronny· 01.06.10 · 08:07 Uhr

Gutes Buch, gute Rezension, danke.

 Christian (ChinaFan)· 01.06.10 · 08:40 Uhr

Florian ist Schuld daran, dass ich mir dieses Buch bestellt habe. *g*
Und weil mich Amazon so freundlich darauf hingewiesen hat, habe ich mir auch gleich noch Brian Greenes erstes Buch "Das elegante Universum" bestellt, welches ich momentan lese. Danach werde ich das rezensierte Buch lesen.

Es ist genau diese Art der Wissenschaft, die mich interessiert!

Ohne diese hervorragende und Interesse weckende Rezension, hätte ich dieses Buch gar nicht bemerkt. Vielen Dank! :-)

 Rolf· 01.06.10 · 09:06 Uhr

Ich bedanke mich auch nochmal ganz herzlich für deine ausführliche Rezension, Buch steht im Regal( wird nach "Roter Donner" gelesen ) und deine Rezensionen dann nochmal dazu.

Klasse Arbeit!

 Moss· 02.06.10 · 01:04 Uhr

Auch eine kleine Ladenburger Buchhandlung hat durch diese Reihe zwei Bücher mehr verkauft. (Übrigens sollte man sowieso Bücher lieber lokal kaufen, wenn möglich -- Amazon verdient auch so noch genug, stellt einem aber keinen freundlichen Buchladen mit Beratung, Probelesen und ’ner Tasse Kaffee hin!)

Hoffentlich geht’s mir beim Lesen dann nicht so … ;-)

 Christian (ChinaFan)· 02.06.10 · 09:06 Uhr

@Moss:
Och, ich bestelle gerne bei Amazon. Das ist bequem und sie liefern schnell (auch ohne Express-Versand). :-)

Hoffentlich geht’s mir beim Lesen dann nicht so … ;-)

Ganz sicher nicht! Er beschreibt das sehr anschaulich. (Und bis jetzt kann ich sagen, dass er noch keine mathematische Formel herangezogen hat.) Besonders gut gefällt mir auch, dass er z.B. die Relativitätstheorie, ab und zu, anhand von realistischen Größenordnungen aus unserem Alltag beschreibt. Da sind zwar die relativistischen Effekte sehr klein, aber man bekommt ein Gefühl dafür, dass diese eben zu unserer Realität gehören und nicht irgendwas Exotisches sind, was nur im Teilchenbeschleuniger existiert.

Und ich denke, man sollte sich die Relativitätstheorie auch so verinnerlichen, wie man es auch ganz selbstverständlich mit der Newton'schen Mechanik getan hat.

Und das versucht Brian Greene auch an die Leser zu kommunizieren.

 junia· 02.05.11 · 13:37 Uhr

ich hab das Buch von Greene vor einem Jahr gelesen und fand es total spannend. Hab mir viel Gedanken darüber gemacht. Gerade lese ich von Feynman "QED". Leider verstehe ich diese Wahrscheinlichkeitsrechnungen mit den Pfeilen nicht richtig, besonders die mit dem Kompass nicht. Ich weiß, das passt jetzt nicht hier hin.

Gestern habe ich in diesem scienceblogs ein Feld für Fragen gesehen, wo jeder Fragen zu Naturwissenschaften etc. stellen kann, heute kann ich das Feld nicht finden.

Deshalb stelle ich mal meine Fragen hier rein, in der Hoffnung, dass jemand unter den Lesern ist, der diese Fragen beantworten kann. Zum Thema passen sie jedenfalls:

1. Wie lange braucht es, bis ein von einer Lichtquelle ausgehendes Photon erlischt, also verschwindet oder nicht mehr leuchtet?

2. In was verwandelt sich ein Photon, wenn es erlischt oder verschwindet? Denn bekanntlich geht ja in diesem Universum nichts verloren, auch wenn es so scheint.
Wenn Wasser verschwindet, verwandelt es sich wahrscheinlich in Wasserstoff und Sauerstoff, Wenn Wasserstoff verschwindet, hat es sich möglicherweise in Helium verwandelt usw. Also in was verwandelt sich ein erlischendes Photon?

3. Wo befindet sich das Feld, wo man solche Fragen stellen kann und dann beantwortet bekommt?

 Bullet· 02.05.11 · 14:12 Uhr

Ich antworte mal schnell auf die erste Frage:
das kann unendlich lange dauern. Wenn ein Photon aber von einem Material absorbiert wird, dann kann es "weg" sein. Natürlich nur im direkten Sinn. Ein Photon ist ja kein "Ding". Es ist das, was wir als greifbares Konstrukt für eine Energieübertragung quasi konstruiert haben. In einer Lichtschranke beispielsweise wird von einer Lampe Licht ausgesendet, und das trifft auf eine Fotozelle. Es wird also beständig Energie von der Lampe zur Zelle geschaufelt. Diese Übertragung wird mithilfe von "Photonen" realisiert. Aber wenn die Energie dort angekommen ist, ist das Photon weg. Denn es besteht ja nur aus der übertragenen Energie. Wenn nun nichts da ist, was die Energie des Photons aufnehmen kann, kann es ewig durchs Universum gondeln. Und daher auch unendlich weit. Aber irgendwo ist immer irgendetwas aus Materie, woran ein Photon seine Energie loswird. Und dann hat es weniger davon oder gar nichts mehr.
Deshalb ist auch die zweite Frage nicht sinnvoll. "In was verwandelt sich die Kraft des Hammerschlages, wenn der Nagel getroffen wurde?" ist ähnlich unpassend. Photonen sind quasi die Transportform von Energie. Beim Empfänger kann diese Energie auf vielerlei Weise in ihrer Erscheinungsform verändert werden - aber "Photon" ist dann keine sinnvolle Beschreibung mehr.

 MartinB· 02.05.11 · 14:35 Uhr

@junia
Bullet hat's eigentlich gut erklärt, aber ich gebe auch noch mal meinen Senf dazu:
1. Ein Photon, das von einer Lichtquelle ausgesandt wird, kann man als Teilchen auffassen, genau wie ein Elektron. Es "erlischt" nicht von selbst - Photonen allein sind stabil. Es kann aber absorbiert werden.
2. Ein Photon trägt eine Energie, einen Impuls und einen Drehimpuls. Diese werden von dem Teilchen, das das Photon absorbiert (zum Beispiel ein Molekül auf er Netzhaut) aufgenommen. Das Photon ist dann verschwunden. (Das ist bei vielen anderen Teilchenw ie Elektronen anders - die können vollständig nur verschwinden, wenn sie auf ihre Antiteilchen treffen.)
3. Ich weiß nicht, ob es so ein Fragefeld hier gibt (wär mir neu) - aber wie du siehst sind Kommentarspalten eine Möglichkeit; irgendeiner stolpert normalerweise über die Frage. Ansonsten haben die meisten von uns Sb-Autoren auch eine mailadresse angegeben, da habe ich auch schon öfters Fragen bekommen.

 Thomas J· 02.05.11 · 14:53 Uhr

@MartinB

Es gab mal so eine Rubrik "Frage der Woche" oder "Frage an scienceblogs" oder so etwas in der Art... fand wohl zu wenig Anklang?

 Florian Freistetter· 02.05.11 · 15:09 Uhr

@junia: Die Fragen nach dem Photon sind ja jetzt schon beantwortet ;) Von einem speziellen "Fragefeld" wüsste ich auch nix. Meinst du den "Formspring"-Button links in der Leiste? Da kommst du zu ner Seite bei der du mir Fragen stellen kannst. Geht aber auch unkomplizierter direkt in den Artikeln, so wie du es ja gemacht hast,

 junia· 02.05.11 · 17:27 Uhr

hey Freunde,
hätte nicht gedacht, dass ich so schnell Antwort bekommen würde. Danke!!
Obwohl ich die Antwort mit meiner unterdurchschnittlichen Intelligenz nur nebulös verstanden habe. Also, wenn ein Photon wie Kraft (eines Hammerschlages z. B.) kein Ding ist und Kraft im Grunde genommen - nach meinem Verständnis - praktisch Energie ist - dann finde ich die Frage dennoch nicht wirklich sinnlos. Denn es heißt ja gerade von der Energie, dass sie im Universum nicht verloren geht. Sie geht irgendwohin, wo man sie nicht mehr beobachten kann oder ist verbraucht, wenn sie den Nagel in die Wand versetzt hat. Irgendwie ist die Kraft des Hammers doch in die Wand gegangen - zusammen mit dem Nagel. Und wenn man den Nagel wieder herausziehen will - mit einem Kneifer - Schitt, mir fällt die konkrete Bezeichnung für das Ding nicht ein, leide an Wortfindungsstörungen, - dann muss ich nach meinem Vorstellungsvermögen die gleiche Kraft anwenden, die es brauchte, um den Nagel in die Wand zu schlagen - oder ist das auch nicht richtig?

Also, ich hab mir Photonen als ein leuchtendes Teilchen vorgestellt und hab mir lange Gedanken über das Doppelspaltexperiment gemacht. Und ich dachte mir, Teilchen sind Teilchen wie ein Tropfen im Wasser und Wellen sind Bewegungen von Teilchen wie Wasserwellen. Deshalb fand ich das irgendwie gar nicht komisch, dass Licht sich wie Teilchen verhalten, sich aber auch wie Wellen verhalten können.

Wenn Wasser sich wie Wellen verhalten, dann sind normalerweise genug einzelne Wassertropfen vereint, damit sie sich in Wellen bewegen können. Und irgend etwas muss die Wellenbewegungen auslösen. Oder besteht da ein Deutungsunterschied zwischen diesen Begriffen in der Physik oder der Allgemeinheit?

Hab noch mehr Fragen. Das war nur das Vorgeplänkel. Muss aber jetzt erst für meine Tochter was zu essen machen.

 Bjoern· 02.05.11 · 18:04 Uhr

@junia: Wow, das sind aber viele Fragen auf einmal... ;-)

Wenn du an Teilchenphysik interessiert bist, dann gibt es übrigens meiner Ansicht nach bessere Einführungs-Bücher als das QED-Buch von Feynman. Sehr gut hat mir z. B. "Vom Urknall zum Zerfall" von Harald Fritzsch gefallen.

Obwohl ich die Antwort mit meiner unterdurchschnittlichen Intelligenz nur nebulös verstanden habe.

Na, verwechsle da mal nicht Wissen mit Intelligenz... ;-)

Also, wenn ein Photon wie Kraft (eines Hammerschlages z. B.) kein Ding ist ...

Das war wohl ein Missverständnis - so war die Analogie von Bullet nicht gemeint. Photonen kann man sich sehr wohl als "Dinge" bzw. als Teilchen vorstellen. (das führt zwar an anderen Stellen wie dem Welle-Teilchen-Dualismus dann zu Problemen, aber als erste Modellvorstellung ist das schon geeignet).

...und Kraft im Grunde genommen - nach meinem Verständnis - praktisch Energie ist ...

Vorsicht! Da benutzt du anscheinend die Alltagsbedeutung der Worte "Kraft" und "Energie. Kraft und Energie haben zwar viel miteinander zu tun - bedeuten in der Physik aber etwas unterschiedliches! Probier's lieber so: wenn eine Kraft auf einen Gegenstand einwirkt und dieser sich dadurch bewegt, dann wird Energie auf ihn übertragen.

Sie geht irgendwohin, wo man sie nicht mehr beobachten kann oder ist verbraucht, wenn sie den Nagel in die Wand versetzt hat.

Der erste Teil des Satzes trifft es gut, der zweite ist wieder nicht so treffend - wenn der Nagel in die Wand versetzt wurde, dann ist die Energie nicht "verbraucht", sondern in die Wand (und teilweise in den Nagel) übergegangen - bemerkbar an einer leichten Temperaturerhöhung (auch Temperatur hat etwas mit Energie zu tun...)

Irgendwie ist die Kraft des Hammers doch in die Wand gegangen - zusammen mit dem Nagel.

Die Energie ist da hin gegangen - Kraft geht nirgendwo hin.

Und wenn man den Nagel wieder herausziehen will - mit einem Kneifer - Schitt, mir fällt die konkrete Bezeichnung für das Ding nicht ein, leide an Wortfindungsstörungen, - dann muss ich nach meinem Vorstellungsvermögen die gleiche Kraft anwenden, die es brauchte, um den Nagel in die Wand zu schlagen - oder ist das auch nicht richtig?

Gute Frage, darüber habe ich mir noch nie Gedanken gemacht... ich vermute aber mal, die Kraft zum Rausziehen mit einer Zange (ich nehme an, das Wort meintest du ;-) ) ist eher deutlich kleiner als die Kraft zum Hineinhämmern. Beim Hineinhämmern verformt sich ja die Wand - dafür braucht man recht viel Kraft. Beim Rausziehen gibt es kaum Verformungen (schließlich bleibt das Loch in der Wand und schließt sich nicht einfach ;-) - und selbst wenn es sich schließen würde, dann würde das den Nagel eher nach außen drücken, also weniger Kraft erfordern!). Man muss da eigentlich nur die Reibungskräfte überwinden. Also nein, die beiden Kräfte sind nicht gleich groß. (und die Energien übrigens auch nicht)

Also, ich hab mir Photonen als ein leuchtendes Teilchen vorgestellt...

Die Vorstellung ist gar nicht schlecht - allerdings leuchtet ein Photon selbst eigentlich nicht. Ein Gegenstand leuchtet dann, wenn er (sichtbare) Photonen aussendet.

Und ich dachte mir, Teilchen sind Teilchen wie ein Tropfen im Wasser und Wellen sind Bewegungen von Teilchen wie Wasserwellen. Deshalb fand ich das irgendwie gar nicht komisch, dass Licht sich wie Teilchen verhalten, sich aber auch wie Wellen verhalten können. Wenn Wasser sich wie Wellen verhalten, dann sind normalerweise genug einzelne Wassertropfen vereint, damit sie sich in Wellen bewegen können.

Auch die Vorstellung ist zwar nicht schlecht, bricht aber spätestens dann zusammen, wenn man sich einzelne Photonen anschaut - selbst die verhalten sich schon in gewissem Sinne wie Wellen, obwohl doch z. B. eine Wasserwelle die Bewegung vieler Wassertropfen erfordert... (außerdem bewegen sich bei einer Wasserwelle die Teilchen nur auf und ab, Photonen bewegen sich aber vorwärts, in dieselbe Richtung wie die Welle als Ganzes).

Und irgend etwas muss die Wellenbewegungen auslösen. Oder besteht da ein Deutungsunterschied zwischen diesen Begriffen in der Physik oder der Allgemeinheit?

Nö, hast schon recht: irgend etwas muss die Wellenbewegung auslösen. Im Falle von Photonen sind das sich bewegende geladene Teilchen (meist Elektronen).

Hab noch mehr Fragen. Das war nur das Vorgeplänkel.

Immer her damit! ;-)

Muss aber jetzt erst für meine Tochter was zu essen machen.

Mahlzeit!

 junia· 02.05.11 · 18:17 Uhr

Bin wieder da. Inzwischen ist mir auch der gesuchte Begriff wieder eingefallen - Zange.

Komisch ist es natürlich, wenn man nur ein einzelnes Photon durch ein Loch schießt, das dann entweder die Möglichkeit hat, durch das linke Loch der gegenüberliegenden Wand oder durch das rechte Loch in der gegenüberliegenden Wand zu schlüpfen und das dennoch an der gegenüberliegenden Wand hinter den zwei Löchern eine Interferenz bildet. Das wäre genau so komisch als würde ein einzelner Wassertropfen Wellen verursachen - obwohl, wenn man auf einen Tropfen pustet....? Aber genau genommen besteht ein einzelner Wassertropfen aus mehreren noch kleineren Wassertröpfchen, keine Ahnung wie groß genau ein Wassermolekül ist.

Also, wenn ein einzelnes Photon in einem Doppelspaltexperiment eine Interferenz bildet, kann ich mir das nur so erklären, dass dieses Photon, das mit einer Geschwindigkeit von 300 000 Sekundenkilometern unterwegs ist, in dem kleinen Behälter des Experiments von der Wand abprallt und sich hin und herbewegt, wenn es auf dem begrenzten Raum 300 000 km pro Sekunde zurücklegt, muss es praktisch gesehen den ganzen Raum mit seinen Bewegungen ausfüllen. Wenn das Photon sich auf jeden beliebigen Punkt des kleinen Raumes eine Dreihunderttausendstel Sekunde aufhält, ist das nach unserem Verständnis praktisch gleichzeitig überall. Unser Auge ist bestimmt nicht in der Lage solch eine Zeiteinheit zu messen oder zu unterscheiden, das liegt unterhalb unserer Reizschwelle der Wahrnehmung. Also ist es praktisch gesehen kein Wunder, wenn wir diese ganzen Bewegungen als Interferenzen sehen.

Wenn nun aber das Photon vorher durch einen Detektor muss, behindern die herausgeschlagenen Elektronen vielleicht darin die Photonen in ihrer Geschwindigkeit und bremsen sie - nach meiner Vorstellung - ab. Das Photon zeigt sich dann wie ein ganz normales Teilchen, das sich an irgend einem bestimmten Ort befindet. Also ab wann ist "Gleichzeitigkeit"? Bei der Geschwindigkeit könnte das Photon 300 000 mal in einer Sekunde auf den gleichen Punkt springen. Zwischen den 300 000 mal wäre es anderswo oder so ähnlich. Oder ? Ehrlich gesagt, hatte ich schon in der Grundschule in Mathe meist ne 5 oder ne 6. Also berichtigen Sie mich ruhig, wenn ich mal wieder völlig falsch liege.

 junia· 02.05.11 · 18:18 Uhr

ich muss mich berichtigen, ich hatte in Mathe meist ne 5 oder ne 4, nicht ne 6.

 junia· 02.05.11 · 18:43 Uhr

Björn,
Deine Erklärungen haben mir sehr geholfen. Du hast mir das ganz toll erklärt. Habe aber erst weitergeschrieben und danach erst Deine Erklärungen gelesen. Du hast also schon einiges vorweggenommen, von dem, was ich mir vorgestellt habe.

Vielen Dank für die Mühe und danke für die Buchempfehlung. Das werde ich bestimmt demnächst mal lesen. Ich finde dieses Thema total interessant. Nur die mathematischen Formeln und Berechnungen übersteigen mein Verständnis. Ich hab für Mathe überhaupt kein Begreifen. Ich hab auch "Auf der Suche nach Schrödingers Katze" von John Gribbin gelesen und war ganz begeistert. Das ist schon faszinierend.

Trotzdem hinkt das Beispiel mit der Katze, denn auch wenn wir nicht nachschauen, ob die Katze lebt oder tot ist, werden wir es nach einiger Zeit wissen - spätestens dann, wenn der Verwesungsgeruch der Katze in unsere Nase kommt - oder die Katze Randale macht, weil sie Hunger und Durst hat und raus will - . Da braucht das Atom gar nicht zu zerfallen. Wenn die Katze tobt, geht die Phiole wahrscheinlich kaputt.

 Bjoern· 02.05.11 · 18:44 Uhr

@junia:

Komisch ist es natürlich, wenn man nur ein einzelnes Photon durch ein Loch schießt, das dann entweder die Möglichkeit hat, durch das linke Loch der gegenüberliegenden Wand oder durch das rechte Loch in der gegenüberliegenden Wand zu schlüpfen und das dennoch an der gegenüberliegenden Wand hinter den zwei Löchern eine Interferenz bildet.

Ja, das ist in der Tat komisch! (im Sinne von "seltsam", nicht von "witzig" natürlich...) Übrigens sieht man das Interferenzmuster erst, wenn man sehr viele einzelne Photonen nacheinander durch die Spalte geschickt hat - ein einzelnes Photon macht einfach einen Punkt auf der Wand.

Also, wenn ein einzelnes Photon in einem Doppelspaltexperiment eine Interferenz bildet, kann ich mir das nur so erklären, dass dieses Photon, das mit einer Geschwindigkeit von 300 000 Sekundenkilometern unterwegs ist, in dem kleinen Behälter des Experiments von der Wand abprallt und sich hin und herbewegt, ...Also ist es praktisch gesehen kein Wunder, wenn wir diese ganzen Bewegungen als Interferenzen sehen.

Das ist zwar eine interessante Idee - ich wüsste aber nicht, wie man damit die Messergebnisse konkret erklären sollte. Wie sollten denn dadurch die typischen Interferenz-Streifen entstehen? (außerdem weiss man eigentlich recht gut, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Photon irgendwo "abprallt" - das kommt lange nicht so häufig vor, wie es in deiner Idee nötig wäre...)

Außerdem kann man praktisch dieselben Interferenzmuster auch mit Elektronen, ja sogar mit recht komplexen Molekülen, erzeugen, die sich relativ langsam bewegen!

Wenn nun aber das Photon vorher durch einen Detektor muss, behindern die herausgeschlagenen Elektronen vielleicht darin die Photonen in ihrer Geschwindigkeit und bremsen sie - nach meiner Vorstellung - ab.

Photonen können nicht abgebremst werden, die sind immer mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs.

Ehrlich gesagt, hatte ich schon in der Grundschule in Mathe meist ne 5 oder ne 6. ... ich muss mich berichtigen, ich hatte in Mathe meist ne 5 oder ne 4, nicht ne 6.

Macht nix - um die grundlegenden Ideen zu verstehen, braucht man eigentlich keine Mathe. (wieso eigentlich in der Grundschule? die Noten später wären relevanter...)

 junia· 02.05.11 · 18:55 Uhr

Ich weiß zwar, dass die "Unschärferalation" angeblich nicht mit mangelhaften Messmöglichkeiten zusammenhängen soll, aber aufgrunddessen, wie ich mir das vorstelle, hängt es doch damit zusammen, dass man nicht gleichzeitig den Ort und den Impuls eines Teilchens messen kann. Wenn ich den Ort gemessen habe, ist das Ding ja längst wieder weg und 1000 mal wieder zurückgekommen.

 junia· 02.05.11 · 19:11 Uhr

Du kannst toll erklären, Björn.
Aber die Messergebnisse, die Streifen also - oder wenn ein einzelnes Photon als Punkt auf dem Schirm sichtbar wird - wie ist das möglich, außer das Messergebnis wird mit einem Schnappschuss als Foto festgehalten.

Man müsste doch die Bewegungen sehen. Flimmern die Streifen wenigstens, damit man sich vorstellen kann, dass die Photonen oder Elektronen mit 300 000 Sekundenkilometern unterwegs sind? Heißt das, bewegen sich eigentlich nur auf der Stelle, anstatt hin und her und kreuz und quer durch den Raum, in dem sie gefangen sind?

Und wenn sie sich nur auf der Stelle bewegen, ist es sowas wie ein Pulsieren oder Schwingen? Auf und ab oder von rechts nach links oder umgekehrt? Ach, wenn das so ist, versteh ich das auch mit dem Impuls. Wenn ich den Impuls messe, messe ich, ob das Photon sich auf und ab oder von rechts nach links oder so bewegt. Oder?

Das sind also nur kleine, kurze Bewegungen fast auf der Stelle?

Irgendwie kann man sich nicht vorstellen, dass ein Photon nicht abgebremst werden kann. Aber stimmt, ich habe auch gelesen, dass die Lichtgeschwindigkeit absolut ist.

 junia· 02.05.11 · 19:23 Uhr

Was das Interferenzmuster angeht, also, wenn die Elektronen nun entsprechend der Wahrscheinlichkeit ihre Bewegungen durchführen - mit 300 000 km pro Sekunde - können sie das Interferenzmuster bilden und man sieht dann auch da Licht, wenn die Photonen längst wieder über alle Berge sind und tausendmal wieder an die gleichen Stellen flitzen. Dann sausen sie eben nicht kreuz und Quer, sondern im Streifenmuster.

Aber scheinbar machen sie andere Bewegungen, wenn sie durch den Detektor gehen. Wenn sie nicht abgebremst werden, werden sie vielleicht irgendwie ausgerichtet, damit sie andere Bewegungen machen, die nicht zu einem Interferenzmuster führen.

Und wenn der Detektor defekt ist und nicht immer Elektronen oder Photonen anzeigt, hat das eben nicht funktioniert mit der Bewegungsausrichtung, und deshalb bildet sich dann wieder ein Interferenzmuster.

Wäre das eine Möglichkeit?

 Bjoern· 02.05.11 · 19:26 Uhr

@junia:

Ich weiß zwar, dass die "Unschärferalation" angeblich nicht mit mangelhaften Messmöglichkeiten zusammenhängen soll, aber aufgrunddessen, wie ich mir das vorstelle, hängt es doch damit zusammen, dass man nicht gleichzeitig den Ort und den Impuls eines Teilchens messen kann. Wenn ich den Ort gemessen habe, ist das Ding ja längst wieder weg und 1000 mal wieder zurückgekommen.

Die Unschärferelation gilt aber doch auch genauso für Teilchen, die sich sehr langsam bewegen!

Aber die Messergebnisse, die Streifen also - oder wenn ein einzelnes Photon als Punkt auf dem Schirm sichtbar wird - wie ist das möglich, außer das Messergebnis wird mit einem Schnappschuss als Foto festgehalten.

Ich bin kein Experimentalphysiker, also weiss ich nicht genau, wie das gemacht wird. Früher ging es wohl recht ähnlich wie in älteren Fotoapparaten mit Filmen - also nicht so, dass das Bild abfotografiert wurde, sondern dass man halt an der Wand, wo man die Photonen beobachten wollte, einen Film angebracht hat, und nachher darauf geschaut hat, an welchen Stellen (Punkten) der geschwärzt wurde. Damit hat man aber natürlich nur das Endergebnis vieler Photonen und sieht keine einzelnen.

Ich vermute mal, heutzutage macht man es dagegen ähnlich wie in den Digital-Kameras: im Prinzip wird immer, wenn irgendwo ein Photon auftrifft, ein kleiner Stromimpuls ausgelöst, und den misst man dann. Damit weiss man sofort, an welcher Stelle zu welcher Zeit ein Photon aufgetroffen ist.

Man müsste doch die Bewegungen sehen. ... Heißt das, bewegen sich eigentlich nur auf der Stelle, anstatt hin und her und kreuz und quer durch den Raum, in dem sie gefangen sind? Und wenn sie sich nur auf der Stelle bewegen, ist es sowas wie ein Pulsieren oder Schwingen? Auf und ab oder von rechts nach links oder umgekehrt? ... Das sind also nur kleine, kurze Bewegungen fast auf der Stelle?

Ich verstehe leider nicht genau, welche Bewegungen du hier meinst...

Flimmern die Streifen wenigstens, damit man sich vorstellen kann, dass die Photonen oder Elektronen mit 300 000 Sekundenkilometern unterwegs sind?

Wenn man einzelne Photonen nacheinander benutzt, dann sieht man da kein Flimmern - sondern halt nur einzelne Treffer, die nacheinander kommen. Nimmt man alle Treffer zusammen, so hat man die Interferenzstreifen.

Benutzt man dagegen viele Photonen gleichzeitig (z. B. Laser), so sieht man die Streifen direkt sofort. Ein kleines bisschen flimmern die schon - das hat aber nichts mit der Geschwindigkeit der Elektronen zu tun, sondern ist einfach das übliche leichte Flimmern von Lichtquellen durch Luftbewegungen, leichte Schwankungen in der Lichtstärke des Lasers (durch leichte Schwankungen in der Stromzufuhr) usw.

Wenn ich den Impuls messe, messe ich, ob das Photon sich auf und ab oder von rechts nach links oder so bewegt. Oder?

Nein - der Impuls ist einfach ein Mass dafür, mit welchem "Schwung" sich ein Teilchen vorwärts bewegt. (für normale Teilchen: Masse mal Geschwindigkeit; bei Photonen ist das ein bisschen schwieriger, weil die ja keine (Ruhe)Masse haben, aber dafür immer die Geschwindigkeit c ...)

 rolak· 02.05.11 · 20:10 Uhr

Ein machbares Heimexperiment: Stück Glas berußen (z.B. mit Kerze), mit Stecknadel zwei eng-parallele Striche ziehen, etwas weißes (Papier) als Meßanzeige und zur Beleuchtung einen Laserpointer. Raum möglichst abdunkeln und fröhliches Experimentieren - schöne Bilder gibt es mit der Leinwand recht nahe hinter dem Doppelspalt, doch das findet sich schnell heraus.

 junia· 02.05.11 · 20:36 Uhr

Wenn sich etwas bewegt, sagen wir mal, ein Photon. Die Geschwindigkeit ist bekannt. Was immer sich bewegt, es bewegt sich durch Raum und Zeit, damit muss es sich zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort aufhalten - es sei denn, es verschwindet ganz. Aber wenn es da ist, muss es an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit sein. Aber wie sollte man den Ort eines "glittigen Tops" messen, das sich jeweils nur eine Dreihunderttausendstel Sekunde an einem Ort aufhält?

Wenn dieses glittige Etwas seine Geschwindigkeit nicht bremsen kann und dabei in einem kleinen Kasten gefangen ist, dann ist es um so öfter sekundenlang an einem einzigen Fleck, je kleiner der Kasten ist, in dem sich das Dingens aufhält.

Aber um nun genau zu messen, zu welchem Zeitpunkt das Ding an welchem Ort ist, muss man doch in der Lage sein, auf Dreihunderttausendstel Sekunde genau zu messen. Wie macht man sowas? Wenn man mit bloßen Augen so ein Dingsbums sehen könnte, das im Dreihunderttausendstelrhythmus hin und herspringt zwischen genau zwei Orten, würde man das nicht mal merken, man würde wahrscheinlich genau an den zwei Orten jeweils ein Photon zur gleichen Zeit wahrnehmen.

 junia· 02.05.11 · 20:54 Uhr

wahrscheinlich würden wir sogar ein einziges Photon, das zwischen zig Orten hin- und herspringt, gleichzeitig an diesen Orten sehen, falls die Orte dicht beieinander liegen und denken, es handele sich um viele Photonen, obwohl es nur eins ist, das so schnell hin und herspringt, dass unser Wahrnehmungsvermögen damit überfordert ist.

 junia· 02.05.11 · 20:58 Uhr

kann sich überhaupt jemand vorstellen, wie kurz eine dreihunderttausendstel Sekunde ist?

 Bjoern· 02.05.11 · 21:21 Uhr

@rolak: Danke für den Tipp! Hätte nicht gedacht, dass man per Hand zwei Striche in einem für diese Wellenlänge sinnvollen Abstand hin bekommt... (so, jetzt fehlt mir nur noch ein Laserpointer...)

 Bjoern· 02.05.11 · 21:31 Uhr

@junia:

Wenn sich etwas bewegt, sagen wir mal, ein Photon. Die Geschwindigkeit ist bekannt. Was immer sich bewegt, es bewegt sich durch Raum und Zeit, damit muss es sich zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort aufhalten...

Letzteres gilt in der Quantenmechanik leider nicht mehr... (vor allem, wenn die Geschwindigkeit exakt bekannt ist - dann ist die Unsicherheit im Ort unendlich groß!) Da bricht halt unser Konzept von Teilchen mit festen Bahnen zusammen...

Aber wie sollte man den Ort eines "glittigen Tops" messen, das sich jeweils nur eine Dreihunderttausendstel Sekunde an einem Ort aufhält?

Häng' dich nicht an den 300 000stel Sekunden auf. Wie schon erwähnt: die Unschärferelation gilt auch für langsame Teilchen.

Aber um nun genau zu messen, zu welchem Zeitpunkt das Ding an welchem Ort ist, muss man doch in der Lage sein, auf Dreihunderttausendstel Sekunde genau zu messen. Wie macht man sowas?

Je nach Teilchen mit verschiedenen Methoden (wie gesagt: ich bin kein Experimentalphysiker - also kann ich hier nur schildern, was mir dazu einfällt; ob's wirklich so gemacht wird, kann ich nicht garantieren!). Bei geladenen Teilchen kann man z. B. sogenannte Blasenkammern verwenden - in denen hinterlassen geladene Teilchen Dampfspuren (so ähnlich wie die Kondensstreifen von Flugzeugen). Kennt man die Geschwindigkeit, kann man also (in etwa) angeben, wann das Teilchen wo war. Eine andere Möglichkeit (z. B. bei Atomen) wäre vielleicht, Lichtblitze durch den Beobachtungsraum zu schicken und zu schauen, wie und wo die reflektiert werden.

Und außerdem: 300 000stel Sekunden mögen uns Menschen kurz vorkommen - vor eine geeignet gebaute Elektronik ist da genügend Zeit, um zu reagieren!

wahrscheinlich würden wir sogar ein einziges Photon, das zwischen zig Orten hin- und herspringt, gleichzeitig an diesen Orten sehen, falls die Orte dicht beieinander liegen und denken, es handele sich um viele Photonen, obwohl es nur eins ist, das so schnell hin und herspringt, dass unser Wahrnehmungsvermögen damit überfordert ist.

Ja, würden wir (wenn wir Photonen direkt sehen könnten, und wenn sie so hin und her springen würden). Aber was hat das mit dem Thema Interferenz zu tun?

Vielleicht hilft es dir, wenn du das Ganze mal bildlich vor dir siehst; auf YouTube gibt's hübsche Filme dazu, z. B.
http://www.youtube.com/watch?v=FwBb9rSOVdo
(wirkt zwar etwas kindisch, ist aber recht gut erklärt, finde ich)

 rolak· 02.05.11 · 21:55 Uhr

Die Bastelanleitung von oben ist schon etwas älter, Bjoern, Pointer auf den Tisch und Blatt passend an die Wand geklebt und solange mit der Scherbe herumgespielt bis das altbekannte Muster deutlich glitzernd zu sehen war. Mittlerweile gäbe es vielleicht eine Hausmittel-Hightech-Lösung: Bisher konnten alle dahingehend getesten Digitalkameras die IR-Fernbedienungen 'sehen', setzten das IR also in für uns arme minderbemittelte Menschen sichtbare Flecken auf dem Display um, also jetzt: Fernbedienung und Kamera fixieren so daß der dicke gleißende Punkt schön mittig ist und dann weiter wie vorher auch.
Och man bekommt schon recht feine Strukturen schraffiert - auch wenn mir die Übung eines (nicht nur) Schraffur-Fetischisten fehlt...

 rolak· 02.05.11 · 21:59 Uhr

Fast vergessen: Immer schön eine Taste der Fernbedienung gedrückt halten ;-)

 junia· 03.05.11 · 11:03 Uhr

Björn

"Ja, würden wir (wenn wir Photonen direkt sehen könnten, und wenn sie so hin und her springen würden). Aber was hat das mit dem Thema Interferenz zu tun?"

Die Photonen könnten doch, wenn sie sich in so einem Kasten befinden, immer dieselben Sprünge machen, z. B. Hopp Hopp Hopp Hopp Hopp
Hopp Hopp Hopp Hopp Hopp
Hopp Hopp Hopp Hopp Hopp
Hopp Hopp Hopp Hopp Hopp
Hopp Hopp Hopp Hopp Hopp

Das gibt insgesamt ein schönes Streifenmuster. Bei einem schnellen Photon könnte jeder einzelne Sprung gleichzeitig gesehen werden. Aber wenn das auch bei langsamen Teilchen so ist...

Also, irgendwie ist es kein Wunder, dass entweder an den Experimenten gezweifelt wird - oder dass Philosophen und Esoteriker sich daraus ein neues Denkmuster und Weltbild für unser Alltagsleben stricken - Eine Beschreibung der Experimente in einem Buch reicht irgendwie nicht aus, wie man sieht, um das Ganze richtig zu verstehen. Ich werd mir bei Gelegenheit die Filme auf youtube mal ansehen. Hab selber keinen funktionierenden Lautsprechern.

Du schreibst, dass es in der Quantentheorie nicht mehr gilt, dass ein Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort ist. Dann ist es zu diesem Zeitpunkt vielleicht in einem anderen Zustand, in dem es erscheint, als sei es verschwunden (falls es nicht tatsächlich verschwunden ist).

Deshalb hatte ich ja danach gefragt, wann ein Photon aufhört zu leuchten und in was es sich verwandelt, wenn es nicht mehr leuchtet oder nicht mehr da ist. Entschuldige, wenn ich dumme Fragen stelle, aber ich versuche das Ganze mit dem, was ich gelesen habe, zu verstehen und in Verbindung zu bringen.

Vielleicht existiert ein Photon nur solange, wie Energie da ist. Also, wenn ich in meinem Wohnzimmer die Deckenbeleuchtung anschalte, leuchten die Photonen in der Glühlampe und emittieren Photonen mit Licht. Man sieht rundherum Strahlen aus der Glühlampe austreten. Gleichzeitig wird das ganze Zimmer erleuchtet. Was ist es, das das Zimmer erleuchtet? Ich stelle mir vor, dass es leuchtende Photonen sind, die im ganzen Zimmer herumschwirren. Aber sobald ich das Licht ausmache, wird das ganze Zimmer dunkel. Die Photonen erlöschen oder verschwinden - wie auch immer.

Also müssen die Photonen direkt mit der Lichtquelle verbunden sein - durch eine Photonenkette, bei der die Photonen jeweils ein Lichtpaket weitergeben an ihren Nebenmann und anschließend sofort ein neues Lichtpaket von der Lichtquelle oder vom Photonennebenmann in Empfang nehmen? Dann fragt sich, sind die leeren, also dunklen Photonen überall vorhanden und warten nur darauf, Lichtpakete aufzunehmen - oder entstehen sie erst, wenn Licht entsteht und der Überschuss abgegeben werden muss?

Wenn Photonen sofort ihr Leuchtpaket abgeben oder sterben, wenn die Lichtquelle aus ist, wie kann dann in einem Experiment ein einzelnes Photon durch ein oder zwei Löcher verschickt werden? Ein einzelnes Photon ist doch gar nicht lebensfähig, wenn es nicht direkt mit einem anderen Photon verbunden ist, das ihm Energie zureicht. Und wenn die Lichtquelle abgeschaltet wird, nachdem ein Photon sie verlassen hat, verlöscht es doch gleich wieder. Meiner Meinung nach ist das unstimmig - oder ich hab mir wieder eine falsche Vorstellung gemacht.

Und nochwas: Wenn ich einen Wassertropfen auf die Erde fallen lasse, dann platscht er auseinander, also er wird breiter in der Fläche, aber flach, anstatt rund und rundherum sind klitzekleine Spritzer.

Wenn ich mit einer Taschenlampe die Wand beleuchte, ist das Leuchtbild größer, als das Leuchtbild der Taschenlampe und rundherum noch ein feiner Strahlenkranz (mal abgesehen von den unterschiedlichen Leuchtstärken).

Wenn ich ein Photon durch ein Loch jage, das genau in der Mitte zwischen zwei Löchern in der Gegenwand landen müsste (wenn ein Strahl immer gerade aus geht), dann müsste der Leuchtfleck an der Wand zwischen den Löchern größe sein als das Photon selbst und sich bis zu den Löchern erstrecken (je nachdem, wie weit sie entfernt sind), sodass der Schein durch beide Löcher gehen kann, die interferieren können, wenn sie sich hinter den Löchern treffen und überschneiden. Das halte ich für normal.

Nicht normal finde ich es, wenn bei dem gleichen Experiment, bei dem die Lichtquelle genau so ausgerichtet ist, das Photon nicht genau so vergrößert wird und durch beide Löcher geht. Oder könnte es einen Unterschied geben zwischen Photonen, die direkt von der Lichtquelle ausgehen und den Photonen, die von der Wand reflektiert werden? Gibt es einen Unterschied zwischen Photonen, die direkt von der Lichtquelle emittiert werden und den Photonen, die von Elektronen absorbiert und wieder emittiert werden? In ihrem Verhalten oder in ihrem Energiebeitrag?

 junia· 03.05.11 · 11:17 Uhr

bei dem letzen Absatz hab ich mich unglücklich ausgedrückt und vergessen zu schreiben, dass es um das Experiment geht, wo die Detektoren angeschlossen sind. Eigentlich müsste es dann gleichzeitig rechts und links klicken, wenn das Photon, das von der Wand abstrahlt, nachdem es dort gelandet ist, nach rechts und links ausstrahlt.

Oder es klickt nur, wenn das Photonenteilchen eine bestimmte Größe und Stärke hat. Das würde aber meiner Meinung nach bedeuten, dass das Lichtgerät nicht genau auf die Mitte zwischen den Löchern gerichtet ist und deshalb mehr Elektronen auf der einen oder auf der anderen Seite auftreffen. Vielleicht wären dann die Streifen auf dem Wandschirm unterschiedlich stark, also entweder rechts oder links stärker. Wenn sie rechts stärker wären, müssten durch die rechten Detektoren mehr Photonen gehen beim Messen als links. Wenn die Streifen links stärker wären, müssten links mehr Photonen durchgehen.

Also, wenn an den Experimenten nicht tatsächlich irgend eine Kleinigkeit nicht exakt wäre, was die komischen Resultate hervorruft, dann muss ich wohl neu darüber nachdenken, was das für eine Bewandnis habe.

 junia· 03.05.11 · 11:35 Uhr

Björn,
die Photonen lassen mich einfach nicht los.

Wir hatten uns gerade geeinigt, dass Photonen immer Lichtgeschwindigkeit haben und nicht abgebremst werden können.

Doch gestern abend habe ich an meinem Buch weitergelesen (QED von Feynman) und mich sehr gewundert.

Da steht auf Seite 105:

"Der größte Beitrag zu P (A nach B) ist bei der bekannten Lichtgeschwindigkeit zu beobachten - also wenn (X2 - X1) gleich (T2-T1) ist - mit anderen Worten, wo wir ihn eigentlich ausschließlich vermutet hätten. Daneben aber hat das Licht auch eine Amplitude, sich schneller (oder langsamer) auszubreiten. Es zeigt sich also, dass es ebensowenig auf die herkömmliche Lichtgeschwindigkeit festgelegt ist wie auf die geradlinige Ausbreitung!

Das mag Sie überraschen. Allerdings sind die Amplituden eines Photons, sich schneller oder langsamer als mit der herkömmlichen Lichtgeschwindigkeit c zu bewegen, verglichen mit dem Beitrag bei c sehr klein, mehr noch, bei großen Entfernungen heben sie sich gegenseitig auf. Bei kurzen Entfernungen dagegen - wie in vielen unserer Diagramme - erlangen sie ein so großes Gewicht, dass sie unbedingt berücksichtigt werden müssen.

Damit haben wir den ersten Grundvorgang, das erste fundamentale Gesetz der Physik - ein Photon bewegt sich von einem Punkt zum anderen. Dieser Satz erklärt die ganze Optik; er enthält die ganze Lichttheorie! Mit einer Einschränkung: denn ich habe (wie immer) die Polarisation ausgeklammert und bislang auch die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie nicht berücksichtigt."

Hä? Hab ich da schon wieder was missverstanden? Oder gibt es doch Ausnahmen in der Geschwindigkeit der Photonen? Kann mir das jemand erklären? Was genau bedeutet in dem Zusammenhang "Amplitude"?

Also, es ist dazu ein Diagramm gezeichnet mit einer horizontalen Linie, die den Raum darstellt , wo Punkt X1 einen Ort und X2 einen anderen Ort bezeichnen.

Die Vertikale stellt die Zeit dar, auf der T1 ein anderer Zeitpunkt ist als T2.

Das Photon hält sich zunächst an der Kreuzung von X1 und T1 (A) auf und wandert in einer Wellenschlangenlinie zum Kreuzpunkt (B) bei X2 und T2. Wenn ich das richtig verstanden habe, ist die Wellenlinie die Amplitude. Darum geht es.

Und die Amplitude, mit der ein Photon von A nach B wandert, kann auch langsamer als c sein - so steht es geschrieben.

 Kallewirsch· 03.05.11 · 11:58 Uhr

@junia

Ich denke du hängst zur Zeit noch etwas zu sehr an der Vorstellung, dass Photonen so etwas wie sehr kleine Billiardkugeln sind, die leuchten. Genau das sind sie nicht.

In deinen Fragen kristallisieren sich 2 Problemkreise heraus:
zum einen sind Photonen eben nicht kleine Kugeln, die leuchtend durch die Gegend sausen. Am ehesten könnte man meiner Meinung noch sagen, dass Photonen Energiepakete sind. Die Photonen selber sind diese Energiepakete und nicht sie bekommen dieses Paket irgendwie huckepack aufgeschnürt.

Vielleicht existiert ein Photon nur solange, wie Energie da ist.

Diese Frage sollte damit geklärt sein. Photonen sind Energie.

Also, wenn ich in meinem Wohnzimmer die Deckenbeleuchtung anschalte, leuchten die Photonen in der Glühlampe

Nein. Wenn du deine Glühlampe anschaltest, dann pumpst du mittels elektrischem Strom Energie in die Moleküle (Wolfram) des Glühfadens. Diese Energie sorgt dafür, dass Elektronen in der Elektronenhülle des Atoms einen energetisch höheren Zustand einnehmen. Nur 'wollen' die das gar nicht. Die Elektronen fallen wieder zurück in ihren urspünglichen energetischen Zustand und geben dabei diese Überschussenergie in Form eines Photons ab, das diese Energie abführt.

und emittieren Photonen mit Licht.

Das kann man so nicht sagen. Die Photonen haben kein Licht. Photonen sind einfach nur ein (vereinfacht gesprochenes) Energiepaket, welches die Energie abtransportiert. Licht ist da erst mal überhaupt nicht im Spiel.

Man sieht rundherum Strahlen aus der Glühlampe austreten. Gleichzeitig wird das ganze Zimmer erleuchtet. Was ist es, das das Zimmer erleuchtet?

Auch das kann man auf atomarer Ebene so nicht sagen. Denn das Zimmer ist nicht 'erleuchtet'. Aber: Diese Photonen (Energiepakete) interagieren wiederrum mit den Atomen von den Wänden, dem Fussboden, dem Mobiliar. Dort werden sie eventuell etwas verändert und erneut auf die Reise geschickt. Verändert werden sie, indem sie wieder mit den Elektronen der Atome interagrieren, diese auf ein anderes Energieniveau anheben, diese fallen wieder zurück und senden wieder neue Photonen aus. Sie flitzen dann im Raum umher, kollidieren ständig mit anderen Atomen (Wand, Decke, Fussboden, was halt sonst noch so im Raum ist), solange bis einige der Photonen es schaffen in deinem Auge zu landen und dort auf der Netzhaut den Detektor (Stäbchen, Zäpfchen) zu reizen. Der sendet dann ein elektrisches Signal zum Gehirn und das Gehirn setzt aus den Milliarden Informationen (Photon aus dieser Richtung, mit dieser Energie/sprich: Wellenlänge) das Bild zusammen, das du bewusst als das Bild des Raumes wahrnimmst. Am ehesten kannst du dir das vielleicht noch so verstellen: du stehst irgendwo, hast die Augen zu und alles rund um dich bewirft dich mit Tennisbällen. Dein Detektor ist deine Haut und die Richtung, aus der mehr Tennisbälle kommen, die definierst du als hell. Durchs Fenster kommen besonders viele Tennisbälle in den Raum, während unter dem Tisch nur wenige Bälle in deine Richtung fliegen. Also ist es in Richtung Fenster "hell" und unter dem Tisch "dunkel". Und da ausnahmslos alles und jedes in deinem Zimmer dich mit Tennisbällen bewirft und das sehr sehr viele Bälle sind, kannst du dir ein Bild deines Zimmers erstellen.

Soweit zu Vorstellung von Photonen als kleine Energiekügelchen, die Energie in der Gegend herumtransportieren, bis sie irgendwo Gelegenheit haben diese Energie loszuwerden (und danach gibt es kein Photon mehr).

Das andere was dir zu schaffen macht, ist der Teilchen-Welle Dualismus. Denn dasselbe Energiepaket, dass man sich so schön als kleines Kügelchen vorstellen kann, verhält sich in manchen Fällen eben nicht wie ein kleines Kügelchen, sondern wie eine Welle. Der Vergleich mit Wasserwellen trifft es auch nicht sehr gut. Eine Wasserwelle benötigt ein Medium, eben das Wasser, um existieren zu können. All das braucht ein Photon aber nicht. So wie beim Kügelchen nicht das Photon Energie hat, sondern Energie ist, so IST das Photon auch gleichzeitig eine Welle. Es benötigt kein Medium dafür. Ich weiß, das ist schwer zu verstehen und vor genau diesem Dilemma standen die Physiker am Ende des 19. Jahrhunderts. Als man den Teilchen/Welle Dualismus entdeckte, brach einiges in ihrer Welt zusammen, weil man die Vorstellung von den kleinen Billiardkugeln aufgeben musste und durch etwas ersetzen muss, was man anschaulich nicht erklären kann.

 junia· 03.05.11 · 12:43 Uhr

kleiner König Kallewirsch,
danke für Deine Ausführungen. Vielleicht lichtet es sich bei mir so nach und nach.

Und was ist mit der Amplitude der Photonen, die möglicherweise manchmal Lichtgeschwindigkeit haben, manchmal nicht? Was ist denn nun richtig? Haben Photonen immer Lichtgeschwindigkeit oder nicht?

PS: Ich hab mir gerade bei Amazon das Buch bestellt: "Vom Urknall zum Zerfall" von Fritzsch

 Kallewirsch· 03.05.11 · 13:02 Uhr

Und was ist mit der Amplitude der Photonen, die möglicherweise manchmal Lichtgeschwindigkeit haben, manchmal nicht? Was ist denn nun richtig? Haben Photonen immer Lichtgeschwindigkeit oder nicht?

Nun, wenn der große Feynmann das sagt, dann werde ich ihm nicht widersprechen :-)

Aber mit Amplitude meint er etwas anderes als du.
Stell dir ein Diagramm vor. Entlang der X-Achse ist die Zeit aufgetragen, entlang der Y-Achse die Geschwindigkeit des Photons. Nun wird das Photon manchmal ein wenig schneller, manchmal ein wenig langsamer. Trägt man das in das Diagramm ein, dann sieht die Kurve, die die Geschwindigkeit beschreibt wie eine Welle aus. Mal etwas mehr, mal etwas weniger. Und der Unterschied von der dabei festgestellten größten Geschwindigkeit und der kleinsten Geschwindigkeit, das ist die Amplitude. Die Amplitude der "Schwingung" die die Variation der Photonengeschwindigkeit beschreibt.
Amplitude ist immer die Auslenkung einer Schwingung. Und die Schwingung von der Feynmann hier spricht, ist ganz offensichtlich die Schwingung die die Veränderung der Geschwindigkeit im Laufe der Zeit beschreibt. So wie du von Augsburg nach Nürnberg fährst und dabei eine Geschwindigkeit von 130km/h fährst, mit einer Amplitude von 30km/h. Mal fährst du 100, mal fährst du 160 oder irgendeinen andern Wert dazwischen. Nur das bei Photonen offenbar die Amplitude im Vergleich zur Geschwindigkeit wesentlich geringer ist.

Das meint Feynmann, wenn er von "Amplitude" spricht.

 Bullet· 03.05.11 · 13:06 Uhr

Jetzt wollte ich was schreiben und hab gerade noch so gemerkt, daß Kallewirsch das bereits erwähnt hatte:
Versuch dich von der Vorstellung zu lösen, Photonen wären kleine Kugeln, die durch die Gegend flitzen und etwas im Rucksack haben. Wir schauen mal kurz zur Seite:
Auch Schallwellen transportieren Energie. Wie beim Managerspiel (das mit den Kugeln an den Fäden, die dicht an dicht hintereinanderhängen. Wenn man eine anhebt und gegen die Reihe aus Kugeln klatschen läßt, bleiben alle in Ruhe, nur die letzte nicht. Die fliegt weg, als wär sie selbst getroffen worden...) stoßen da Luftmoleküle aneinander, und jeder Stoß überträgt Energie - also das, was die Schallwelle eigentlich ausmacht. Der große Unterschied zu Licht ist, daß in der Luft tatsächlich jeder Stoß ein wenig Energie im getroffenen Gasmolekül übrigläßt, so daß nach einigen Metern bis Kilometern (je nach Lautstärke) der Stoß vollständig in allen teilnehmenden Molekülen "versickert". Licht braucht diese "Stöße" nicht, deswegen "versickert" da auch nichts.
Allerdings sagte Kallewirsch auch:

So wie beim Kügelchen nicht das Photon Energie hat, sondern Energie ist, so IST das Photon auch gleichzeitig eine Welle.

Ich würde dem nicht zustimmen. Wenn ichs so genau wie möglich machen wollte, würde ich es so formulieren: Wenn Objekte über den Elektromagnetismus Energie austauschen, dann geschieht das in einer Weise, die nahelegt, daß da kleine Kügelchen beteiligt sein könnten (weil die Gesetze wie Reflexion usw. dem Billard so ähnlich sind). Bei anderen Versuchen kann man Phänomene beobachten, die denen von Wellen sehr ähneln.
Aber Photonen sind weder noch. Sie zeigen nur manchmal Eigenschaften von Wellen oder Teilchen.

 junia· 03.05.11 · 13:32 Uhr

ganz davon abgesehen, dass wir nicht die Wirklichkeit an sich sehen, sondern nur ein Bild der Wirklichkeit, das das Gehirn uns anhand der im Auge aufgenommenen Photonen für uns entworfen hat - Die Interferenzstreifen, die sich auf dem Wandschirm bilden, sind die nur ein Abbild der Photonen oder Elektronen, die von der Wand reflektiert werden oder zeigen sie die Photonen selber? Oder zeigen sie nur die Spur der Photonen, die diese hinterlassen haben - wie Spuren im Sand? Das ist mir alles noch nicht klar.

Wenn Licht im Spiegel reflektiert wird, sind es dann die Photonen selber, die mir ins Auge springen, wenn ich in den Spiegel schaue oder ist es nur das Spiegelbild der Photonen? Oder gibt es bei den Photonen da gar keinen Unterschied?

Und wie definiert man "real" oder "wirklich"? Wenn das, was wir wahrnehmen, nicht die Wirklichkeit an sich ist, sondern nur ein Bild der Wirklichkeit, ein Modell oder eine Art Landkarte, wir aber die Landkarte oder das Bild der Wirklichkeit als real empfinden oder definieren. Was ist dann die Wirklichkeit des Bildes der Wirklichkeit? Oder gibt es die gar nicht?

Wenn wir ein Bild an der Wand sehen, sehen wir ein Bild des Bildes der Wirklichkeit.

Wenn unser Bild der Wirklichkeit materialistisch ist, weil wir ja mit all unseren Sinnen wahrnehmen und nicht nur mit unserem Sehsinn, wie ist dann die Wirklichkeit beschaffen?

 Kallewirsch· 03.05.11 · 13:35 Uhr

So wie beim Kügelchen nicht das Photon Energie hat, sondern Energie ist, so IST das Photon auch gleichzeitig eine Welle.

Ich würde dem nicht zustimmen.

Ich auch nicht :-)

Aber das ist nun mal das Dilemma des Teilchen/Welle Dualismus. Man kann ihn eigentlich nicht irgendwie anschaulich mit klassischer Physik beschreiben. Egal wie man es versucht, es ist immer Stückwerk und immer in irgendeiner Art und Weise falsch.
Übrigens denke ich, dass ich da einen Fehler gemacht habe. Die klassische Physik hatte ja 2 ganz klar getrennte Welten. Auf der einen Seite die Teilchen (die Billiardkugeln) und auf der anderen Seite die Wellen, zu denen man auch das Licht mit seinen Erscheinungen zählte (=Optik). Das waren klar getrennte Gebiete, vor allen Dingen, da man ja mit der Maxwellschen Elektrodynamik ein ausgezeichnetes Werkzeug zur Behandlung von Wellen hatte. Und dann kam Einstein mit seiner Nobelpreisarbeit, in der er gestützt auf die von Planck herbeigezauberten Photonen den photoelektrischen Effekt, der aus Wellensicht eigenartigen Gesetzen unterlag, locker und umfassend erklären konnte. Und von da an ging man mutigen Schrittes in die Quantenmechanik mit der man dan ein Werkzeug hatte um den Welle/Teilchendualismus im Doppelspalt Experiment in den Griff zu kriegen.

Licht war also in der klassischen Physik immer eine Welle (abgesehen von einem kurzen Intermezzo bei Newton), ehe es dann durch Planck/Einstein auch noch die "Billiardkugel-Eigenschaft" verpasst bekam.

 Kallewirsch· 03.05.11 · 13:42 Uhr

@Junia

Lass mich deinen letzten Post so zusammenfassed beantworten:

Damit du etwas siehst, egal was, müssen Photonen auf deine Netzhaut fallen.
Ohne Photonen geht es nicht. Und nein, Photonen hinterlassen keine Spuren. Entweder sie fallen in dein Auge (und lösen dort in deiner Netzhaut eine Reaktion aus) oder sie tun das nicht. Treffen sie nicht auf deine Netzhaut, dann treffen sie irgendwann auf etwas anderes (so ein Photon hat ja Zeit) und interagieren mit ihm (was unter Umständen im Aussenden von wieder anderen Photonen mündet). Aber wenn ein Photon etwas trifft, dann gibt es seine Energie weiter (egal wie) und danach existiert dieses Photon nicht mehr. Du kannst daher prinzipbedingt einem Photon nicht bei seiner Reise zusehen. Denn damit du es sehen könntest, müsste das Photon ja selbst wieder Photonen aussenden. Nur woher sollen die kommen? In dem Moment in dem ein Photon in irgendeiner Art und Weise mit etwas anderem interagiert, gibt es seine Energie ab und ist verschwunden.

 Bullet· 03.05.11 · 14:01 Uhr

@Kalle:

Egal wie man es versucht, es ist immer Stückwerk und immer in irgendeiner Art und Weise falsch.

Jo. :)



@Junia: du verzettelst dich in schwammigen Aussagen. Die Sache mit dem "Bild von der Wirklichkeit" ist nicht zielführend.
Deine Augen sind Photonendetektoren. Sie erlauben es, die Intensitäts- und Frequenzunterschiede der aus allen Richtungen auf uns einprasselnden Photonen mit für uns hinreichender räumlicher Auflösung zu sortieren. Da passieren dann noch weitere Dinge, wie z.B. Filterung, Querverrechnung und andere Signalbearbeitungsarten - aber schlußendlich ist jede Wahrnehmung eine Art CSI: man bekommt einen Sinneseindruck, und das Gehirn rekonstruiert daraus eine Situation "da draußen", die dazu paßt. Kein Sensor, ob natürlich oder konstruiert, tut etwas anderes. Jemals.

 Bjoern· 03.05.11 · 15:43 Uhr

@junia: Uff, schon wieder eine ganze Menge geschrieben! Mal schauen, ob ich heute noch dazu komme, mir das anzuschauen - ich habe aber leider gerade relativ viel zu tun...

 Bjoern· 04.05.11 · 18:11 Uhr

@junia: So - eigentlich hab' ich noch was zu arbeiten, aber der Abend ist ja noch lang... ;-)

Die Photonen könnten doch, wenn sie sich in so einem Kasten befinden, immer dieselben Sprünge machen, z. B. Hopp Hopp Hopp ... Das gibt insgesamt ein schönes Streifenmuster.

Kann ich leider nicht nachvollziehen. Meinst du, dass ein Photon immer von einem Streifen zum nächsten hüpft, oder was? (wenn du das wirklich meinst, dann muss ich dich enttäuschen - das widerspricht gleich auf mehreren Weisen so ziemlich allem, was wir über Photonen wissen...)

Du schreibst, dass es in der Quantentheorie nicht mehr gilt, dass ein Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort ist. Dann ist es zu diesem Zeitpunkt vielleicht in einem anderen Zustand, in dem es erscheint, als sei es verschwunden (falls es nicht tatsächlich verschwunden ist).

Nein, ich meinte nicht, dass es verschwunden ist. Ich meinte es eher so, dass es zu ein und demselben Zeitpunkt an verschiedenen Orten gleichzeitig ist.

Entschuldige, wenn ich dumme Fragen stelle,...

Du weisst doch: es gibt keine dummen Fragen. ;-)

Also, wenn ich in meinem Wohnzimmer die Deckenbeleuchtung anschalte, leuchten die Photonen in der Glühlampe und emittieren Photonen mit Licht. Man sieht rundherum Strahlen aus der Glühlampe austreten. Gleichzeitig wird das ganze Zimmer erleuchtet. Was ist es, das das Zimmer erleuchtet? Ich stelle mir vor, dass es leuchtende Photonen sind, die im ganzen Zimmer herumschwirren. Aber sobald ich das Licht ausmache, wird das ganze Zimmer dunkel. Die Photonen erlöschen oder verschwinden - wie auch immer.

Solange die Lampe an ist, werden Photonen ausgesendet. Wenn diese auf die Zimmerwände treffen, prallen die meisten ab (einige werden auch absorbiert, d. h. sie "verschwinden" in der Wand; führt zu einer leichten Erwärmung der Wand). Wenn die Photonen, die direkt von der Lampe kommen, in dein Auge gelangen (und dort absorbiert werden), siehst du die helle Lampe. Wenn die Photonen, die von Wänden, Möbeln usw. abgeprallt sind, in dein Auge gelangen (und dort absorbiert werden), siehst du erleuchtete Wände, Möbel etc. Wenn die Lampe aus ist, schickt sie keine Photonen mehr aus, die in dein Auge gelangen können - also siehst du keine helle Lampe mehr und keine erleuchteten Wände, Möbel etc. (das wäre die Kurzfassung - Kallewirsch hat's ja auch schon sehr schön ausführlich erklärt!)

Also müssen die Photonen direkt mit der Lichtquelle verbunden sein...

Ich verstehe leider nicht, wie du das (und das Folgende) folgerst...

... bei der die Photonen jeweils ein Lichtpaket weitergeben ...

Photonen geben keine Lichtpakete weiter - sie sind Lichtpakete!

Wenn ich mit einer Taschenlampe die Wand beleuchte, ist das Leuchtbild größer, als das Leuchtbild der Taschenlampe und rundherum noch ein feiner Strahlenkranz ...

Ich weiss leider nicht, was für einen "Strahlenkranz" du hier meinst. (entsteht evtl. durch Lichtstreuung an der Plastikabdeckung der Taschenlampe? dürfte je nach Art der Taschenlampe unterschiedlich sein)

Nicht normal finde ich es, wenn bei dem gleichen Experiment, bei dem die Lichtquelle genau so ausgerichtet ist, das Photon nicht genau so vergrößert wird und durch beide Löcher geht.

Was meinst du denn jetzt plötzlich mit dem Vergrößern von Photonen?!? Nur weil der Lichtschein an der Wand größer wird, heisst das doch nicht, dass die Photonen größer werden!

Oder es klickt nur, wenn das Photonenteilchen eine bestimmte Größe und Stärke hat.

"Größe" und "Stärke" sind hier eher ungeeignete Worte. Die Detektoren klicken bei Photonen ab einer bestimmten Energie - und die Lichtquelle in solchen Versuchen wird natürlich so ausgewählt, dass die Photonen, die sie abgibt, eine passende Energie haben!

Wir hatten uns gerade geeinigt, dass Photonen immer Lichtgeschwindigkeit haben und nicht abgebremst werden können. Doch gestern abend habe ich an meinem Buch weitergelesen (QED von Feynman) und mich sehr gewundert. Da steht auf Seite 105: "Der größte Beitrag zu P (A nach B) ist bei der bekannten Lichtgeschwindigkeit zu beobachten - also wenn (X2 - X1) gleich (T2-T1) ist - mit anderen Worten, wo wir ihn eigentlich ausschließlich vermutet hätten. Daneben aber hat das Licht auch eine Amplitude, sich schneller (oder langsamer) auszubreiten. Es zeigt sich also, dass es ebensowenig auf die herkömmliche Lichtgeschwindigkeit festgelegt ist wie auf die geradlinige Ausbreitung!

Feynman hat in gewissem Sinne recht - und trotzdem stimmt die Aussage, dass sich Photonen immer mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten! Ich weiss, das klingt total widersprüchlich... Wie meist in der Physik muss man sich hier überlegen, was man letztlich eigentlich beobachten kann. Diese ganzen Photonen, die sich langsamer oder schneller bewegen, existieren zwar rein theoretisch auch - man kann sie aber nie beobachten! Es sind nur "mögliche" Photonen (der Physiker spricht hier auch von "virtuellen" Photonen); die ganzen "möglichen" Photonen addieren sich gewissermaßen auf zu einem "reellen" Photon - und nur das letztere kann man beobachten, und dieses letztere bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit. (übrigens versucht Feynman genau diese Idee in seinem Buch zu erklären... aber wie schon erwähnt, ich fand das Buch für Einsteiger nicht so begeisternd)

Was genau bedeutet in dem Zusammenhang "Amplitude"?

Das hatte Feynman, soweit ich mich erinnere, weiter vorne im Buch näher erläutert. Versuch's noch mal nachzulesen - hier auf die Schnelle ist das schwierig zu erklären... (Feynman hat nicht umsonst ein ganzes Buch dazu geschrieben!) (Und die Erklärung von Kallewirsch ist hier übrigens falsch!)

Die Interferenzstreifen, die sich auf dem Wandschirm bilden, sind die nur ein Abbild der Photonen oder Elektronen, die von der Wand reflektiert werden oder zeigen sie die Photonen selber?

Die Photonen, die von der Wand reflektiert werden, werden in deinem Auge absorbiert. An manchen Stellen der Wand treffen viele Photonen auf und werden reflektiert - deswegen siehst du an den Stellen helle Streifen.

Und wie definiert man "real" oder "wirklich"? Wenn das, was wir wahrnehmen, nicht die Wirklichkeit an sich ist, sondern nur ein Bild der Wirklichkeit, ein Modell oder eine Art Landkarte, wir aber die Landkarte oder das Bild der Wirklichkeit als real empfinden oder definieren. Was ist dann die Wirklichkeit des Bildes der Wirklichkeit? Oder gibt es die gar nicht?

Uff. Das fragst du wohl lieber Philosophen statt Physiker... ;-)

 Bjoern· 04.05.11 · 18:14 Uhr

@rolak: Es soll immer noch Leute geben, die keine Digitalkamera besitzen... ;-)

 Bjoern· 04.05.11 · 18:22 Uhr

@Kallewirsch:

Aber mit Amplitude meint er etwas anderes als du.
Stell dir ein Diagramm vor. Entlang der X-Achse ist die Zeit aufgetragen, entlang der Y-Achse die Geschwindigkeit des Photons. Nun wird das Photon manchmal ein wenig schneller, manchmal ein wenig langsamer. Trägt man das in das Diagramm ein, dann sieht die Kurve, die die Geschwindigkeit beschreibt wie eine Welle aus. Mal etwas mehr, mal etwas weniger. Und der Unterschied von der dabei festgestellten größten Geschwindigkeit und der kleinsten Geschwindigkeit, das ist die Amplitude. Die Amplitude der "Schwingung" die die Variation der Photonengeschwindigkeit beschreibt.

Das stimmt so leider nicht. Was Feynman hier meint, sind die Wahrscheinlichkeits-Amplituden für verschiedene Geschwindigkeiten, sprich: die Werte, die, wenn man sie quadriert (bzw. eigentlich das Betragsquadrat nimmt - wir reden ja von komplexen Zahlen...) die Wahrscheinlichkeiten ergeben, ein (virtuelles) Photon mit der und der Geschwindigkeit anzutreffen. Mit dem üblichen Begriff "Amplitude" bei Schwingungen und Wellen hat das nur noch sehr entfernt was zu tun...

Licht war also in der klassischen Physik immer eine Welle (abgesehen von einem kurzen Intermezzo bei Newton), ehe es dann durch Planck/Einstein auch noch die "Billiardkugel-Eigenschaft" verpasst bekam.

Also, meines Wissens wurde Licht bis zu Young's Versuchen Anfang des 19. Jahrhunderts eher allgemein als "Kügelchen" angesehen (übrigens auch schon vor Newton - der hat das Ganze nur besser ausgearbeitet als viele vor ihm). Also war eher die Wellen-Theorie nur ein "kurzes Intermezzo"... (etwa 100 Jahre)

 rolak· 04.05.11 · 19:10 Uhr

Aber nicht doch, Bjoern, selbst ich Balgenfetischist habe wg dem einfachen Schnappschuß-ins-Netz-stellen vor Jahren so ein Kleinmöbel beim Aldi erstanden. Und wenn selbst ich -- dann müssen alle anderen auch ;-)