Das führt dazu, dass – im Prinzip, von technischen Schwierigkeiten abgesehen – die Zahl der Elektronen in einem abgeschlossenen System immer eindeutig bestimmt ist (jedenfalls, solange wir keine Wechselwirkungen mit einbeziehen, wenn es die gibt, wird es komplizierter).
Alle diese Dinge gelten für Photonen nicht, oder nur sehr eingeschränkt – man kann sie nicht ohne weiteres lokalisieren, und man kann sie auch nicht immer ohne weiteres zählen. (Falls ihr einen Laserpointer habt – wenn ihr mit dem einen Lichtpuls erzeugt, dann ist die Zahl der Photonen darin unbestimmt, wie wir nachher noch sehen werden.)
Bevor wir uns gleich anschauen, wie Licht sich nun im einzelnen verhält (und was man alles unter einem “Photon” verstehen kann), erst mal eine kleine Erinnerung an eine der Grundregeln der Quantenmechanik (ausführlich habe ich das hier erklärt): Anders als in der klassischen Physik können quantenmechanische Systeme in einem sogenannten Überlagerungszustand sein. Man erklärt das gern am einfachen Beispiel einer Münze: Ein klassischer Taler, der auf dem Tisch liegt, zeigt entweder “Kopf” oder “Zahl”. Ein Quantentaler dagegen kann in einem Überlagerungszustand sein, sozusagen 30% Kopf und 70% Zahl. Schaut man hin (vornehm gesagt “macht man eine Messung”), was der Taler zeigt, dann bekommt man in 30% der Fälle Kopf zu sehen, in 70% der Fälle Zahl. Die Wahrscheinlichkeit gibt aber hier nicht bloß unsere Unkenntnis an, was der Taler tatsächlich gerade tut – er ist wirklich in einem solchen komplizierten Überlagerungszustand. (Nachweisen kann man das mit Hilfe der so genannten Verschränkung – die erkläre ich im dritten Teil der gerade verlinkten Artikelseire, oder auch recht kurz in diesem Artikel. ich habe hier auch arg vereinfacht, denn eigentlich muss man Wahrscheinlichkeitsamplituden angucken, die komplexe Zahlen sind; für ein prinzipielles Verständnis ist das aber nicht so wichtig.)
Wie wir gleich sehen werden, wird diese Überlagerung ziemlich wichtig, wenn es um die Frage geht, was ein Photon ist.
Die Energie eines Photons
Nach dem Wiki-Artikel ist ein Photon ja ein “Quant” der em-Strahlung. “Quant” bedeutet hier, dass die Energie eines Photons nicht beliebige Werte annehmen kann, sondern nur ganz bestimmte Werte. Für diese Energie gilt, dass sie gleich der Frequenz multipliziert mit einer Zahl, dem Planckschen Wirkungsquantum, ist. (Die Frequenz (mit ν abgekürzt) sagt etwas darüber aus, wie schnell eine Welle oszilliert – das sehen wir gleich noch genauer.) In Formeln schreibt man E=hν. Das h steht für’s Plancksche Wirkungsquantum, das einfach eine physikalische Konstante ist. Damit wir etwas als “Photon” bezeichnen können, sollte seine Energie also irgendwie durch diese Formel beschreibbar sein. Ob das später immer so bleibt, werden wir noch sehen, aber als Ausgangspunkt ist es erst mal ziemlich sinnvoll.
So, und jetzt gucken wir uns zunehmend komplizierte Situationen an, in denen man von “Photonen” sprechen kann. (Eifrige Leserinnen des Blogs kennen einen guten Teil der Argumente übrigens schon von hier.)
1.Die stehende Welle
Photonen – wenn es sie denn gibt – sind ja laut Wikipedia die Quanten des elektromagnetischen Feldes. Schauen wir erst mal auf die klassische Physik: Da kann ein em-Feld im Vakuum existieren, nämlich in Form einer elektromagnetischen Welle. Als einfachstes Beispiel dafür können wir uns zwei Spiegel aus Metall vorstellen – die haben die Eigenschaft, dass auf ihrer Oberfläche ein elektrisches Feld nur senkrecht stehen könnte, ansonsten würden sich Ladungen im Metall verschieben, weil elektrische Ladungen ja auf elektrische Felder reagieren. Zwischen zwei solchen Spiegeln kann sich eine stehende Welle ausbilden – ganz ähnlich wie bei einer Saite, die man zupft, eine stehende Welle entstehen kann.
Wir betrachten erst einmal den einfachsten Fall und machen die Welle so groß wie es eben geht, so dass genau ein “Schwingungsbauch” zwischen die Spiegel passt. (Der Einfachheit halber betrachte ich erst einmal auch nur Fälle, wo das elektrische Feld immer genau nach “oben/unten” im Bild zeigt). Die Welle schwingt dann hin und her – oder anders gesagt, das elektrische Feld an jedem Punkt zwischen den Spiegel oszilliert:
In grün ist hier die Stärke des Feldes zwischen den Spiegeln eingezeichnet, krümmt sich die Linie nach oben, zeigt das Feld ebenfalls nach oben (ich habe an einer Stelle einen Pfeil eingezeichnet, um das zu veranschaulichen). Würden wir eine elektrische Ladung zwischen die Spiegel platzieren, dann würde sie durch das schwingende elektrische Feld ebenfalls zu Schwingungen angeregt.
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