Photonen sind – das haben die meisten vermutlich schon einmal gehört – die Teilchen, aus denen Licht besteht. Klingt auf den ersten Blick einigermaßen einfach, oder? Fragt man aber acht Physikerinnen, was ein Photon ist, so erhält man etwa zehn Antworten (so geschehen im Jahr 2003 in einer Ausgabe von Optics&Photonics News, Quelle s.u.). Es gibt sogar eine Konferenz-Serie zum Thema: “The Nature of Light: What are photons?”
Also – was ist denn nun ein Photon?
Warnung: Die meisten der Dinge, die ich hier schreibe, stehen so meines Wissens in keinem Buch. Ich bin mir ziemlich sicher, dass alles stimmt, aber ich übernehme wie üblich keine Garantie.
W.E. Lamb, eine berühmte Physikerin*, hat einen Artikel mit dem Titel “Anti-Photon” geschrieben, in dem es heißt:
“It should be apparent from the title of this article that the author does not like the use of the word “photon”, which dates from 1926. In his view, there is no such thing as a photon. Only a comedy of errors and historical accidents led to its popularity among physicists and optical scientists.”
[Aus dem Titel des Artikels sollte offensichtlich sein, dass die Autorin die Verwendung des Wortes “Photon”, das im Jahr 1926 erfunden wurde, nicht mag. In ihrer Sicht gibt es so etwas wie ein Photon nicht. Nur eine Komödie der Irrungen und historische Zufälle haben zu seiner Popularität unter Physikerinnen und optischen Wissenschaftlerinnen geführt.]
*Ja, ich verwende nach wie vor ausschließlich weibliche Formen. Wer sich darüber aufregen will, kann das hier tun; Kommentare bei diesem Artikel hier werde ich schlicht löschen. Und nein, das ist keine Zensur.
Fragen wir erst Mal Wikipedia, für Physik-Fragestellungen meist keine schlechte erste Adresse. Dort lesen wir:
Das Photon (von griechisch φῶς phōs, Genitiv φωτός phōtos ‚Licht‘) ist das Elementarteilchen (Quant) des elektromagnetischen Feldes. Anschaulich gesprochen sind Photonen das, woraus elektromagnetische Strahlung besteht, daher wird gelegentlich auch die Bezeichnung Lichtquant oder Lichtteilchen verwendet.
Das Photon ist also “Das Elementarteilchen des em-Feldes”. Man kann sich laut dieser Erklärung also vorstellen, dass Licht aus Photonen besteht, genauso wie Materie aus Atomen (oder wenn man genauer hinguckt, Elektronen und Quarks) besteht. Klingt erst mal unproblematisch, oder?
Tatsächlich gibt es aber einige Unterschiede zwischen Elektronen (die nehme ich jetzt mal als Beispiel) und Photonen – deswegen werdet ihr vermutlich auch keine Konferenzserie mit dem Titel “What are Electrons?” finden.
Zunächst einmal kann man Elektronen problemlos auf einen sehr kleinen Raum einsperren – ein Elektron kann beispielsweise in einem Quantenpunkt gefangen sein (das ist ein winziges Stück Metall), aus dem es nicht entkommen kann, und dank seiner elektrischen Ladung können wir auch leicht messen, ob es da ist (oder ob es vielleicht sogar zwei oder drei Elektronen sind). Wir können auch die Bahn eines Elektrons verfolgen, beispielsweise in einem Detektor für Elementarteilchen wie einer Blasenkammer:
Quelle: CERN, Teachers Web
Hier seht ihr, wie ein einfliegendes (nicht sichtbares) “Photon” ein Elektron-Positron-Paar erzeugt, dessen Weg wir verfolgen können. (Die Wege sind gekrümmt, weil man ein Magnetfeld anlegt; geladene Teilchen werden im Magnetfeld abgelenkt.)
Elektronen können also lokalisiert werden – wir können herausfinden, wo sie sich gerade aufhalten. (Ja, es gibt, die Unschärferelation, die uns da gewisse Grenzen setzt, aber zu einem bestimmten Zeitpunkt kann man ein Elektron beliebig gut an einen Ort festnageln – die Unschärferelation sorgt dann allerdings dafür, dass wir nichts mehr über seine Geschwindigkeit wissen können, so dass im nächsten Moment vermutlich ganz woanders ist. Mehr über die Unschärferelation findet ihr z.B. in der Artikelserie zu Schrödingergleichung – klickt rechts bei den Artikelserien.)
Außerdem sind – wie schon erwähnt – Elektronen elektrisch geladen (deswegen heißen die ja so). Die elektrische Ladung hat zwei Eigenschaften: Zum einen ist sie quantisiert, sie kann also nicht beliebige Werte annehmen. Zum anderen ist sie eine Erhaltungsgröße, Ladungen entstehen also nicht einfach so. Ich kann zwar aus einem ungeladenen “Photon” ein Elektron erzeugen (so wie in dem Bild oben), aber nur, wenn ich gleichzeitig auch ein Teilchen mit einer positiven Ladung erzeuge.
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