Emission und Absorbtion von Photonen

Wissenschaft Physik
1

Hallo ihr Physik-Spezies
Da wir gerade schonmal das Thema hatten, hier noch eine ganz andere Frage:
In den Bücher sieht man immer so hübsche Bildchen, wie ein Photon das emitierende Atom in Form eines geschlängelten Wellenpacketes verläßt und in umgekehrter Weise wieder absorbiert wird. Wenn man jedoch das Photon als Welle betrachtet, kann das doch eigentlich überhaupt nicht funktionieren.
Die Wellenlänge des Photons ( z.B. sichtbares Licht ) ist sehr viel größer als die Atome, mit denen es wechselwirkt. Bei der Emission würde das bedeuten, daß das Photon kein teilchenähnliches kompaktes Wellenpacket ist, das in eine bestimmte Richtung von dannen fliegt, sondern eine im Raum ausgedehnte, sich in fast alle Richtungen ausbreitende Welle.
Die Absorbtion eines kompletten Photons ist dann eigentlich völlig unmöglich. Die gesamte vom Atom abgestrahlte Welle müßte dazu eingesammelt und wieder auf einen Punkt konzentriert werden.
Können Atome wirklich einzelne Photonen absorbieren, die irgendwo weit weg emitiert wurden oder akkumulieren sich kleinere Energieanteile vieler Photonen, bis die Energie zu einem Quantensprung ausreicht ? Oder wie kann man sich das vorstellen ?

fragt sich Jörg

2

Photon-Emission & Planck-Paradoxon
Hallo Jörg

Die QM beschreibt einen Emissionsprozess nicht so, daß da eine Welle langsam an zu wellen fängt, bis sie damit aufhört und dann haben wir einen Wellenzug… vielmehr wird die Eigenschaft der Welle, also Frequenz und Länge des Wellenzuges, allein bestimmt durch die Energiedifferenz zwischen zwei Elektronen-Niveaus. Wenn ein Elektron auf einen energetisch höheren Orbit gekickt wird, dann hat es dort eine bestimmte Aufenthaltswahrscheinlichkeit, weil dieser angeregte Zustand nicht stabil ist. Dann fällt es wieder auf einen energetisch tieferen Orbit zurück und diese Energiedifferenz ist verantwortlich für die Frequenz der Welle. Diese Differenz ist über die Unschärferelation gekoppelt an eine Zeitspanne: das ist die Dauer dieses Übergangs.

Sowohl im semiklassischen Bohrschen Atommodell (wo noch Elektronen kreisen), als auch im Schrödingerschen Atommodell ist der Zustand des Elektrons WÄHREND des Übergangs nicht definiert, weil die Zwischen-Orbits nicht existieren (das war ja die Grundidee von Bohr!!). Eine physikalische Aussage, was während diese Übergangs passiert, wäre daher sinnlos…

Können Atome wirklich einzelne Photonen absorbieren, die
irgendwo weit weg emitiert wurden oder akkumulieren sich
kleinere Energieanteile vieler Photonen, bis die Energie zu
einem Quantensprung ausreicht ? Oder wie kann man sich das
vorstellen ?

hm - mit Vorstellen ist da halt nicht mehr viel, aber wie ich unten schon sagte, liegt das nicht an der Physik, sondern an der Materie… denn diese (nichtanschauliche) Physik hat in diesem Bereich der Atom-Hüllenelektronen eigentlich kaum noch Probleme, die Strukturen korrekt zu beschreiben und sie dadurch „handhabbar“ zu machen…

Was du ansprichst, ist das sog. Planck-Paradoxon der QM:
es wurde so genannt weil Planck darüber ein Gedankenexperiment anstellte (irgendwann isn den 20ern glaub ich). Man nehme einen Kasten, in dem man in der Mitte ein einzelnes Photon aussendet. Rings um diese Stelle in einiger Entfernung stehen jede Menge von Detektoren, die ansprechen würden, wenn ein Photon auf sie trifft.

Nun wird das Photon - im Wellenbild beschrieben - sich sphärisch symmetrisch im Raum ausbreiten (bis auf die Pole natürlich, wie ich schon unter „Wellen im Raum“ schrieb), so daß die Wahrscheinlichkeit, daß die Welle auf einen Detektor fällt, für alle Detektoren gleich groß ist, bzw. die Welle „IST“ ja, kurz bevor sie auf die Detektoren fällt, eben gleichermaßen dort auch überall anwesend.

Es wird aber nur ein einziger Detektor ansprechen (weil das Phton nur EINS ist)!!

Und das ist paradox, denn das hieße, da die Welle ja das GANZE Photon ist, daß sie unmittelbar, wenn der eine Detektor das Photon absorbiert, an allen anderen Stellen plötzlich NICHT mehr existiert. Woher soll aber die Welle bei Detektor x wissen, daß sie hier nicht mehr sein darf, weil Detektor y das Photon gefangen hat?? Man sagt, die Wellenfunktion, die das Photon beschreibt, bricht überall zusammen, sobald ein Detektor angesprochen hat - und: es spricht WIRKLICH nur EINER an!!

Nun könnte ein schlauer Physiker kommen (und so wars ja auch damals) und sagen: man interpretiert hier die Wellenfunktion falsch. Sie beschreibt nämlich nicht ein einzelnes Photon, sondern ein Ensemble von Photonen. Wenn man dasselbe also mit VIELEN Photonen macht (oder vielfach mit JE EINEM), sprechen alle Detektoren mit gleicher Wahrscheinlichkeit an (und das stimmt ja auch). Das ist die sog. Ensemble-Interpretation der QM (gewesen).

Das Problem ist: es GIBT Prozesse, in denen einzelne Photonen eine Rolle spielen (und du sprichst ja mit der Absorption des Photons durch die Hüllenelektronen diesen Fall auch an), zumal man heute tatsächlich mit einzelnen Photonen experimentieren kann.

Das Resultat ist: natürlich ist die Treffer-Wahrscheinlichkeit für alle Detektoren die gleiche, und die Wellenfunktion bricht tatsächlich in dem Augenblich zusammen, wenn das Photon irgendwo absorbiert wurde.

Die Auflösung dieses Paradoxons ist, daß die Lichtwelle dieses einen Photons, also seine Wellenfunktion, eine (komplexe!) WahrscheinlichkeitAMPLITUDE angibt, und die ist keine Observable!! Erst das Quadrat dieser Amplitude ist ein Meßwert. Aber dieser Meßwert bedeutet eben genau das, was wir ja voraussetzten: die WAHRSCHEINLICHKEIT dafür, daß das Photon irgendeinen Detektor trifft, ist gleich groß.

Es bleibt aber trotzdem das Problem (bzw. das Paradox), daß eben an einem Kontinuum von Orten eine Anwesenheits-Wahrscheinlichkeit zusammenbrechen kann (W = 0), weil an einem singulären (!!) anderen Ort die Anwesenheist-Wahrscheinlichkeit schlagartig W = 1 wird. So ist das eben: sobald wir in räumlichen und zeitlichen Größenordnungen hantieren, in denen das Plancksche Wirkungsquantum sein Regime beginnt, ist die Welt nicht mehr, was sie vorher mal war :smile:))

Grüße
Manfred

3

Hallo Manfred,
erstmal vielen Dank für die ausführliche Antwort. Ich wußte nicht, daß sich schon Leute wie Planck diese Frage gestellt haben und das Problem sogar schon einen Namen hat. Das zeigt mir jedenfalls, daß meine Frage berechtigt ist.
Ich habe natürlich befürchtet, daß der Weg zu einer anschaulich nachvollziehbaren Antwort bei der QM enden würde.

Die QM beschreibt einen Emissionsprozess nicht so, daß da eine
Welle langsam an zu wellen fängt, bis sie damit aufhört und
dann haben wir einen Wellenzug… vielmehr wird die
Eigenschaft der Welle, also Frequenz und Länge des
Wellenzuges, allein bestimmt durch die Energiedifferenz
zwischen zwei Elektronen-Niveaus. Wenn ein Elektron auf einen
energetisch höheren Orbit gekickt wird, dann hat es dort eine
bestimmte Aufenthaltswahrscheinlichkeit, weil dieser angeregte
Zustand nicht stabil ist. Dann fällt es wieder auf einen
energetisch tieferen Orbit zurück und diese Energiedifferenz
ist verantwortlich für die Frequenz der Welle. Diese Differenz
ist über die Unschärferelation gekoppelt an eine Zeitspanne:
das ist die Dauer dieses Übergangs.

Sowohl im semiklassischen Bohrschen Atommodell (wo noch
Elektronen kreisen), als auch im Schrödingerschen Atommodell
ist der Zustand des Elektrons WÄHREND des Übergangs nicht
definiert, weil die Zwischen-Orbits nicht existieren (das war
ja die Grundidee von Bohr!!). Eine physikalische Aussage, was
während diese Übergangs passiert, wäre daher sinnlos…

Was spricht eigentlich dagegen, das Ganze, zumindest im Gedankenexperiment, mit elektrisch erzeugten „Radioquanten“ durchzuführen ? Die sollten sich ja prinzipiell genauso verhalten wie die kurzwelligeren Lichtquanten. Im Gegensatz zu denen könnte man bei Radiowellen aber die Entstehung genau kontrollieren.

Können Atome wirklich einzelne Photonen absorbieren, die
irgendwo weit weg emitiert wurden oder akkumulieren sich
kleinere Energieanteile vieler Photonen, bis die Energie zu
einem Quantensprung ausreicht ? Oder wie kann man sich das
vorstellen ?

hm - mit Vorstellen ist da halt nicht mehr viel, aber wie ich
unten schon sagte, liegt das nicht an der Physik, sondern an
der Materie… denn diese (nichtanschauliche) Physik hat in
diesem Bereich der Atom-Hüllenelektronen eigentlich kaum noch
Probleme, die Strukturen korrekt zu beschreiben und sie
dadurch „handhabbar“ zu machen…

Ich bin eben überzeugt, daß das Eine das Andere nicht ausschließt. Ein Modell ist für mich erst ausgereift, wenn es neben korrekten mathematischen Beschreibungen auch eine Vorstellung von den Vorgängen liefert.

Was du ansprichst, ist das sog. Planck-Paradoxon der QM:
es wurde so genannt weil Planck darüber ein Gedankenexperiment
anstellte (irgendwann isn den 20ern glaub ich). Man nehme
einen Kasten, in dem man in der Mitte ein einzelnes Photon
aussendet. Rings um diese Stelle in einiger Entfernung stehen
jede Menge von Detektoren, die ansprechen würden, wenn ein
Photon auf sie trifft.

Nun wird das Photon - im Wellenbild beschrieben - sich
sphärisch symmetrisch im Raum ausbreiten (bis auf die Pole
natürlich, wie ich schon unter „Wellen im Raum“ schrieb), so
daß die Wahrscheinlichkeit, daß die Welle auf einen Detektor
fällt, für alle Detektoren gleich groß ist, bzw. die Welle
„IST“ ja, kurz bevor sie auf die Detektoren fällt, eben
gleichermaßen dort auch überall anwesend.

Es wird aber nur ein einziger Detektor ansprechen (weil das
Phton nur EINS ist)!!

Und das ist paradox, denn das hieße, da die Welle ja das GANZE
Photon ist, daß sie unmittelbar, wenn der eine Detektor das
Photon absorbiert, an allen anderen Stellen plötzlich NICHT
mehr existiert. Woher soll aber die Welle bei Detektor x
wissen, daß sie hier nicht mehr sein darf, weil Detektor y das
Photon gefangen hat?? Man sagt, die Wellenfunktion, die das
Photon beschreibt, bricht überall zusammen, sobald ein
Detektor angesprochen hat - und: es spricht WIRKLICH nur EINER
an!!

Nun könnte ein schlauer Physiker kommen (und so wars ja auch
damals) und sagen: man interpretiert hier die Wellenfunktion
falsch. Sie beschreibt nämlich nicht ein einzelnes Photon,
sondern ein Ensemble von Photonen. Wenn man dasselbe also mit
VIELEN Photonen macht (oder vielfach mit JE EINEM), sprechen
alle Detektoren mit gleicher Wahrscheinlichkeit an (und das
stimmt ja auch). Das ist die sog. Ensemble-Interpretation der
QM (gewesen).

Das Problem ist: es GIBT Prozesse, in denen einzelne Photonen
eine Rolle spielen (und du sprichst ja mit der Absorption des
Photons durch die Hüllenelektronen diesen Fall auch an), zumal
man heute tatsächlich mit einzelnen Photonen experimentieren
kann.

Das Resultat ist: natürlich ist die Treffer-Wahrscheinlichkeit
für alle Detektoren die gleiche, und die Wellenfunktion bricht
tatsächlich in dem Augenblich zusammen, wenn das Photon
irgendwo absorbiert wurde.

Die Auflösung dieses Paradoxons ist, daß die Lichtwelle dieses
einen Photons, also seine Wellenfunktion, eine (komplexe!)
WahrscheinlichkeitAMPLITUDE angibt, und die ist keine
Observable!! Erst das Quadrat dieser Amplitude ist ein
Meßwert. Aber dieser Meßwert bedeutet eben genau das, was wir
ja voraussetzten: die WAHRSCHEINLICHKEIT dafür, daß das Photon
irgendeinen Detektor trifft, ist gleich groß.

Es bleibt aber trotzdem das Problem (bzw. das Paradox), daß
eben an einem Kontinuum von Orten eine
Anwesenheits-Wahrscheinlichkeit zusammenbrechen kann (W = 0),
weil an einem singulären (!!) anderen Ort die
Anwesenheist-Wahrscheinlichkeit schlagartig W = 1 wird.

Das ist in der Tat unvorstellbar. Da bewegt sich ein Photon hunderte von Jahren durch das All und verteilt sich auf einer Fläche von vielen tausend Quadratlichtjahren, um sich schließlich innerhalb von Picosekunden auf meiner Netzhaut niederzulassen, während ich gerade mal wieder des nachts die Sterne betrachte :open_mouth:

So ist
das eben: sobald wir in räumlichen und zeitlichen
Größenordnungen hantieren, in denen das Plancksche
Wirkungsquantum sein Regime beginnt, ist die Welt nicht mehr,
was sie vorher mal war :smile:))

Und solange das so ist, wird es immer Leute geben, die versuchen, sich eine Vorstellung davon zu machen. Wer weiss ? Vieleicht gelingt es ja sogar eines Tages. Ich werde die Hoffnung jedenfals nicht aufgeben. Schließlich können wir uns heute ja auch vieles vorstellen, was sich vor z.B. 1000 Jahren kein Mensch hätte vorstellen können. Die QM gibt es ja immerhin noch nicht ganz so lange :smile:
Vieleicht kann man sich in 1000 Jahren die Materie der QM auch ganz gut vorstellen. Ich wäre aber nicht böse drum, wenn es ein bischen früher wäre und ich es selbst noch erleben könnte :smile:))

Jörg

1 „Gefällt mir“
4

Das ist eben das Problem: Das sind nur huebsche Bildchen. Deine Frage laeuft darauf hinaus, Quantentheorie zu verstehen. Das ist aber nicht einfach, wenn wir uns immer Bilder aus unserer gewohnten Umwelt zu Hilfe nehmen. Ein mikroskopisches Teilchen ist beides, sowohl Welle als auch Teilchen.
Oder keines von beiden. Ein Photon ist nicht ein Wellenpaeckchen, sondern etwas Neues, Eigenartiges und Besonderes, das wir aus unserer Gewohnheit vielleicht mal als Welle, mal als Teilchen zugleich verstehen koennen. Die Quantentheorie sagt aus, dass die Welle ueberall sein kann, aus der Teilchen oder Energiepakete „herausfallen“ koennen, und zwar mit einer Wahrscheinlichkeit proportional zur Intensitaet der Welle (oder
proportional zum Quadrat der Wellen"hoehe"). Wann und wo das passiert, kann man prinzipiell nicht sagen. Nur die Wahrscheinlichkeit, mit der es passiert, kann angegeben werden.
Setzt man ein Atom einem Lichtfeld aus, und ist dieses Lichtfeld so gross wie das Sonnensystem, und dennoch so schwach, dass es nur ein einziges Quant geben kann, dann darf man sich das nicht so vorstellen, dass da ein Quant oder ein Wellenpaeckchen herumfliegt und irgendwann aufs Atom stuerzt. Das Quant ist sozusagen gleichmaessig in der ganzen Welle verteilt und zugleich ueberall (ist also in dem Moment wellenartig). Aber von einem Moment zum naechsten befindet sich das Atom ploetzlich in einem angeregten Zustand, weil es Energie aus der Welle aufgenommen hat (das Quant absorbiert hat), mit der entsprechenden Wahrscheinlichkeit.
Dann war das Quant wieder teilchenartig und lokalisiert. Das Quant ist ueberall und nirgends zugleich, sowohl wellenartig als auch teilchenartig. Wie gesagt, wann und wie dieser Quantensprung stattfindet, kann man ueberhaupt nicht sagen. Es geht auch umgekehrt: Nehmen wir an, wir haben ein angeregtes Atom (oder einen radioaktiven Kern), das ein Photon loswerden muss. Dann strahlt dieses Atom gewissermassen permanent eine elektromagnetische Lichtwelle ab (was wir aber nur sehen koennen, wenn wir ein Photon messen),die tatsaechliche Emission eines Energiequants aber findet irgendwann einmal, unvorhersehbar statt. Solang man nicht hinsieht, kann das Atom die Energie noch besitzen, oder auch nicht. Die Quantentheorie ist scheinbar verrueckt, manchmal nichtlokal und schwierig zu begreifen.

Gruss, Moriarty

5

Hallo Manfred,
erstmal vielen Dank für die ausführliche Antwort. Ich wußte
nicht, daß sich schon Leute wie Planck diese Frage gestellt
haben und das Problem sogar schon einen Namen hat. Das zeigt
mir jedenfalls, daß meine Frage berechtigt ist.
Ich habe natürlich befürchtet, daß der Weg zu einer
anschaulich nachvollziehbaren Antwort bei der QM enden würde.

Wieso befürchtet? Beschäftige dich doch mal ein bißchen mit der QM, dann ist sie bald nur noch halb so unanschaulich.

Was spricht eigentlich dagegen, das Ganze, zumindest im
Gedankenexperiment, mit elektrisch erzeugten „Radioquanten“
durchzuführen ? Die sollten sich ja prinzipiell genauso
verhalten wie die kurzwelligeren Lichtquanten. Im Gegensatz zu
denen könnte man bei Radiowellen aber die Entstehung genau
kontrollieren.

Aber nicht die Entstehung eines einzigen Photons. Die Photonen in einer Sendeantenne werden durch die Beschleunigung von den Elektronen in der Antenne erzeugt. Wenn du nur 1 Photon willst, dann wirst du wohl oder übel mit nur 1 Elektron arbeiten müssen, und das gehorcht den Gesetzen der QM.
Die Beschreibung von Licht im klassischen Sinne über elektrische und magnetische Feldstärke (Maxwellgleichungen) ist nur dann gültig, wenn sehr viele Photonen beteiligt sind.

Ich bin eben überzeugt, daß das Eine das Andere nicht
ausschließt. Ein Modell ist für mich erst ausgereift, wenn es
neben korrekten mathematischen Beschreibungen auch eine
Vorstellung von den Vorgängen liefert.

Es gibt eine gewisse Vorstellung in Form der Feynman-Diagramme, aber die ist ein wenig abstrakt. Ich empfehle das Buch „QED-Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie“ von R.P.Feynman (PIPER).

Es bleibt aber trotzdem das Problem (bzw. das Paradox), daß
eben an einem Kontinuum von Orten eine
Anwesenheits-Wahrscheinlichkeit zusammenbrechen kann (W = 0),
weil an einem singulären (!!) anderen Ort die
Anwesenheist-Wahrscheinlichkeit schlagartig W = 1 wird.

Das ist in der Tat unvorstellbar. Da bewegt sich ein Photon
hunderte von Jahren durch das All und verteilt sich auf einer
Fläche von vielen tausend Quadratlichtjahren, um sich
schließlich innerhalb von Picosekunden auf meiner Netzhaut
niederzulassen, während ich gerade mal wieder des nachts die
Sterne betrachte :open_mouth:

Wieso ist das unvorstellbar? Wenns halt mal so ist, warum denn eigentlich nicht?
Ein Beispiel, warum die allgemein als anschaulich bezeichnete Newton-Mechanik für mich genauso unvorstellbar ist:
Die Bewegung eines mechnischen Systems ist eindeutig bestimmt durch die Angabe von Ort und Geschwindigkeit aller Körper. Woher weiß aber ein Körper, wohin er sich bewegen soll? Daß er weiß, wo er sich befindet (Ort), könnte ich ja gerade noch akzeptieren, aber woher weiß er in jedem Moment, welche Geschwindigkeit er hat, also in welche Richtung er sich weiterbewegen soll?

So ist
das eben: sobald wir in räumlichen und zeitlichen
Größenordnungen hantieren, in denen das Plancksche
Wirkungsquantum sein Regime beginnt, ist die Welt nicht mehr,
was sie vorher mal war :smile:))

Und solange das so ist, wird es immer Leute geben, die
versuchen, sich eine Vorstellung davon zu machen. Wer weiss ?
Vieleicht gelingt es ja sogar eines Tages. Ich werde die
Hoffnung jedenfals nicht aufgeben. Schließlich können wir uns
heute ja auch vieles vorstellen, was sich vor z.B. 1000 Jahren
kein Mensch hätte vorstellen können. Die QM gibt es ja
immerhin noch nicht ganz so lange :smile:
Vieleicht kann man sich in 1000 Jahren die Materie der QM auch
ganz gut vorstellen. Ich wäre aber nicht böse drum, wenn es
ein bischen früher wäre und ich es selbst noch erleben könnte

-)))

Man müßte halt schon in der Schule anfangen, die QM zu lehren, und nicht erst in der Universität, wenn man mit 22 Jahren vielleicht schon ein bißchen zu alt ist, um sich daran zu gewöhnen.

Grüße,
Semjon.

6

Vorstellungsvermögen
Hi Jörg

Ich habe natürlich befürchtet, daß der Weg zu einer
anschaulich nachvollziehbaren Antwort bei der QM enden würde.

*smile*, ja, leider, es führt kein Weg daran vorbei. Die Qm IST nicht anschaulich. Unsere Vorstellungsfähigkeit ist nun einmal auf unsere makrophysikalische sinnlich erfaßbare Welt eingerichtet.

Aber um so erstaunlicher ist es doch, daß die Mathematik Werkzeuge liefert, mit denen diese subatomate Welt (gewissermaßen blind) ziemlich adäquat reproduziert werden kann. Die QM zählt zu den komplettesten Theorien (bzgl. Widerspruchsfreiheit und Selbstkonsistenz) überhaupt.

Was spricht eigentlich dagegen, das Ganze, zumindest im
Gedankenexperiment, mit elektrisch erzeugten „Radioquanten“
durchzuführen ? Die sollten sich ja prinzipiell genauso
verhalten wie die kurzwelligeren Lichtquanten.

Es ist so, daß der Teilchencharakter mit zunehmender Wellenlänge abnimmt. Gammastrahlung tritt als fast reiner Photonen-Puls auf, aber Radiostrahlung hat fast nur noch Wellencharakter. Das liegt daran, daß die Wellenzüge ebenfalls extrem lang sind.

Ich bin eben überzeugt, daß das Eine das Andere nicht
ausschließt. Ein Modell ist für mich erst ausgereift, wenn es
neben korrekten mathematischen Beschreibungen auch eine
Vorstellung von den Vorgängen liefert.

Mit dem „ausgereift“ sollte man vorsichtig sein (siehe oben), es gibt kaum eine ausgereiftere Theorie als die QM. Mna muß sich einfach damit abfinden, daß die subatomare Welt schlicht anders funktioniert als die Welt des sinnlich erfaßbaren Straßenverkehrs. Es lohnt sich wirklich, einmal
George Gamov: „Mr. Tompkins’ Reise durch Kosmos und Mikrokosmos“ zu lesen…

Das ist in der Tat unvorstellbar. Da bewegt sich ein Photon
hunderte von Jahren durch das All und verteilt sich auf einer
Fläche von vielen tausend Quadratlichtjahren, um sich
schließlich innerhalb von Picosekunden auf meiner Netzhaut
niederzulassen, während ich gerade mal wieder des nachts die
Sterne betrachte :open_mouth:

Ein schönes Bild, aber es beschreibt doch nicht ganz die quantenmechanische Beschreibung dieses Vorgangs: Man kann nicht sagen, daß das Photon sich so durchs All bewegt, sondern die em Welle. Und auch nicht diese Welle im Sinne eines realen Objektes, sondern die Wahrscheinlichkeitsamplitude ist für jeden dieser Orte durch die Wellenfunktion gegeben, wobei das Quadrat dieser Amplitude die AufenthaltsWAHRSCHEINLICHKEIT angibt. Und DIESE ist tatsächlich (ungefäjr) sphärisch verteilt. Bevor das Photon in Wechselwirkung tritt, ist diese Wahrscheinlichkeit also gleichverteilt.

Was im Augenblick der Absorption des Photons an einem singulären Ort „zusammenbricht“, ist nicht die reale Existenz der Welle im ganzen Kosmos, sondern die Wellenfunktion, bzw. eben diese Wahrscheinlichkeit.

Und solange das so ist, wird es immer Leute geben, die
versuchen, sich eine Vorstellung davon zu machen.

Ja, seltsamerweise! Warum ist es so schwer, die Vorstellung fallen zulassen?

Vieleicht gelingt es ja sogar eines Tages. Ich werde die
Hoffnung jedenfals nicht aufgeben.

Meine Empfehlung ist: gib sie auf! Es ist viel großartiger, sich bewußt zu machen, zu welchen Leistungen der menschliche Geist fähig ist, ganz jenseits des bloßen Vorstellungsvermögens.

Gruß
Manfred

7

Hallo Manfred,
ich hoffe wir nerven die anderen nicht mit unseren Diskussionen :smile:, ich finde das Thema jedenfalls hochinteressant.

Ich habe natürlich befürchtet, daß der Weg zu einer
anschaulich nachvollziehbaren Antwort bei der QM enden würde.

*smile*, ja, leider, es führt kein Weg daran vorbei. Die Qm
IST nicht anschaulich. Unsere Vorstellungsfähigkeit ist nun
einmal auf unsere makrophysikalische sinnlich erfaßbare Welt
eingerichtet.

Ich denke, so schlecht ist unsere Vorstellungskraft garnicht. Sie hat mir jedenfalls bei der Lösung vieler Probleme, die mit mathematischem Formalismus nur schwer in den Griff zu bekommen waren, sehr geholfen.

Aber um so erstaunlicher ist es doch, daß die Mathematik
Werkzeuge liefert, mit denen diese subatomate Welt
(gewissermaßen blind) ziemlich adäquat reproduziert werden
kann. Die QM zählt zu den komplettesten Theorien (bzgl.
Widerspruchsfreiheit und Selbstkonsistenz) überhaupt.

Was spricht eigentlich dagegen, das Ganze, zumindest im
Gedankenexperiment, mit elektrisch erzeugten „Radioquanten“
durchzuführen ? Die sollten sich ja prinzipiell genauso
verhalten wie die kurzwelligeren Lichtquanten.

Es ist so, daß der Teilchencharakter mit zunehmender
Wellenlänge abnimmt. Gammastrahlung tritt als fast reiner
Photonen-Puls auf, aber Radiostrahlung hat fast nur noch
Wellencharakter. Das liegt daran, daß die Wellenzüge ebenfalls
extrem lang sind.

Ja schon, aber es gibt doch keine Grenze zwischen den Frequenzbereichen. Also müssen doch auch für Radiowellen die Gesetze der QM grundsätzlich gültig sein. Wenn sich ein Detektor mit genügend großer Geschwindigkeit auf einen Radiosender zubewegt, sollte er die Radiowellen als Lichtquanten detektieren. Hier könnte man sicher interessante Experimente durchführen. Z.B. was passiert, wenn ich nur halbe Quanten aussende ? ( geht das überhaupt ? Wenn nicht, was hindert mich daran ? )oder kurze Quanten hoher Intensität mit langen Quanten geringer Intensität vergleiche.

Ich bin eben überzeugt, daß das Eine das Andere nicht
ausschließt. Ein Modell ist für mich erst ausgereift, wenn es
neben korrekten mathematischen Beschreibungen auch eine
Vorstellung von den Vorgängen liefert.

Mit dem „ausgereift“ sollte man vorsichtig sein (siehe oben),
es gibt kaum eine ausgereiftere Theorie als die QM. Mna muß
sich einfach damit abfinden, daß die subatomare Welt schlicht
anders funktioniert als die Welt des sinnlich erfaßbaren
Straßenverkehrs. Es lohnt sich wirklich, einmal
George Gamov: „Mr. Tompkins’ Reise durch Kosmos und
Mikrokosmos“ zu lesen…

Vieleicht, wenn ich mal wieder einen Gutschein von amazon.de bekomme :smile:

Das ist in der Tat unvorstellbar. Da bewegt sich ein Photon
hunderte von Jahren durch das All und verteilt sich auf einer
Fläche von vielen tausend Quadratlichtjahren, um sich
schließlich innerhalb von Picosekunden auf meiner Netzhaut
niederzulassen, während ich gerade mal wieder des nachts die
Sterne betrachte :open_mouth:

Ein schönes Bild, aber es beschreibt doch nicht ganz die
quantenmechanische Beschreibung dieses Vorgangs: Man kann
nicht sagen, daß das Photon sich so durchs All bewegt, sondern
die em Welle. Und auch nicht diese Welle im Sinne eines realen
Objektes, sondern die Wahrscheinlichkeitsamplitude ist für
jeden dieser Orte durch die Wellenfunktion gegeben, wobei das
Quadrat dieser Amplitude die AufenthaltsWAHRSCHEINLICHKEIT
angibt. Und DIESE ist tatsächlich (ungefäjr) sphärisch
verteilt. Bevor das Photon in Wechselwirkung tritt, ist diese
Wahrscheinlichkeit also gleichverteilt.

Was im Augenblick der Absorption des Photons an einem
singulären Ort „zusammenbricht“, ist nicht die reale Existenz
der Welle im ganzen Kosmos, sondern die Wellenfunktion, bzw.
eben diese Wahrscheinlichkeit.

Und solange das so ist, wird es immer Leute geben, die
versuchen, sich eine Vorstellung davon zu machen.

Ja, seltsamerweise! Warum ist es so schwer, die Vorstellung
fallen zulassen?

Das liegt sicher in der Natur des Menschen und schließlich gibt es weit mehr Menschen, die die Welt verstehen wollen als solche, die Physik studieren wollen oder können.

Vieleicht gelingt es ja sogar eines Tages. Ich werde die
Hoffnung jedenfals nicht aufgeben.

Meine Empfehlung ist: gib sie auf! Es ist viel großartiger,
sich bewußt zu machen, zu welchen Leistungen der menschliche
Geist fähig ist, ganz jenseits des bloßen
Vorstellungsvermögens.

Ich glaube, das wäre keine gute Idee. Genau wie in der Evolution halte ich auch in der Wissenschaft eine gewisse strategische Vielfalt für sinnvoll und notwendig. Wo wären wir heute, wenn nicht hin und wieder die gängige Lehrmeinung in Frage gestellt worden wäre ? Was gut und richtig ist, wird sich sowieso langfristig von selbst herauskristallisieren.
So finde ich Wissenschaft jedenfalls auch viel interessanter :smile:

Jörg

8

Vorstellungsvermögen

Hi Jörg

ich hoffe wir nerven die anderen nicht mit unseren
Diskussionen :smile:, ich finde das Thema jedenfalls
hochinteressant.

bevor das hier im Archiv versinkt, nochmal kurz ein RE:
aber das Thema läßt sich ja beliebig wieder aufgreifen. Es ist
ja fast bei allen postings in diesen natw. Foren das eigentliche
Thema (im Hintergrund), wenns um QM oder RT oder Kosmologie
geht…

*smile*, ja, leider, es führt kein Weg daran vorbei. Die Qm
IST nicht anschaulich. Unsere Vorstellungsfähigkeit ist nun
einmal auf unsere makrophysikalische sinnlich erfaßbare Welt
eingerichtet.

Ich denke, so schlecht ist unsere Vorstellungskraft garnicht.
Sie hat mir jedenfalls bei der Lösung vieler Probleme, die mit
mathematischem Formalismus nur schwer in den Griff zu bekommen
waren, sehr geholfen.

aber dabei handelte es sich wohl kaum um quantenmechanische
Probleme, oder??

Es ist so, daß der Teilchencharakter mit zunehmender
Wellenlänge abnimmt. Gammastrahlung tritt als fast reiner
Photonen-Puls auf, aber Radiostrahlung hat fast nur noch
Wellencharakter. Das liegt daran, daß die Wellenzüge ebenfalls
extrem lang sind.

Ja schon, aber es gibt doch keine Grenze zwischen den
Frequenzbereichen. Also müssen doch auch für Radiowellen die
Gesetze der QM grundsätzlich gültig sein.

Sind sie ja auch. Es liegt an der Nachweistechnik, daß em-Wellen
im Radiofrequentbereich eher Wellencharakter zeigen.

Umgekehrt ist deinem Auto ja auch eine (Materie)Welle
zuzuordnen. Deren Wellenlänge ist aber so klein, daß es absolut
aussichtslos wäre, über dieses Phänomen z.B. neue Formen der
Verkehrsregelung einzuführen…

Wenn sich ein
Detektor mit genügend großer Geschwindigkeit auf einen
Radiosender zubewegt, sollte er die Radiowellen als
Lichtquanten detektieren.

…ok, er würde sichtbares Licht wahrnehmen oder in Mikrowellen
grillen oder einem Röntgen- oder Gammastrahl ausgesetzt sein
oder oder oder… aber ob er das ganze als Teilchenstrom oder als
Welle nachweist, hängt immer noch vom Detektortyp ab. Es gibt
halt einfach keine Geräte (soviel ich weiß!), die Radiostrahlen
als Photonen wahrnehmen…

Z.B. was passiert, wenn ich nur halbe Quanten aussende ?
geht das überhaupt ?

nein

Wenn nicht, was hindert mich daran ?

daß es nicht geht

oder kurze Quanten hoher Intensität mit
langen Quanten geringer Intensität vergleiche.

Quanten sind nicht kurz oder lang, und haben auch keine
Intensität.

Und solange das so ist, wird es immer Leute geben, die
versuchen, sich eine Vorstellung davon zu machen.

Ja, seltsamerweise! Warum ist es so schwer, die Vorstellung
fallen zulassen?

Das liegt sicher in der Natur des Menschen und schließlich
gibt es weit mehr Menschen, die die Welt verstehen wollen als
solche, die Physik studieren wollen oder können.

Ja aber die haben diese Gegenstände, über die sie sich Gedanken
machen, ja erst durch physikalische Forschung bekommen. Woher
wissen denn die, die die Welt verstehen wollen (und wir
alle wollen das! Das ist übrigens nicht dasselbe wie die
Physik verstehen zu wollen!!!), daß es schwarze Löcher
Urknall Raumkrümmung und Quanten und allerlei Paradoxa zu
diskutieren gibt?

Selbstverständlich gibt es viele, die anderes zu lernen (oder
auch zu studieren) für erstrebenswerter hielten, die sich aber
trotzdem dafür interessieren, was die Mathematiker/Physiker so
treiben oder herausfinden oder erfinden. Und außer den Klassikern
wie der Mr.Tompkins von Gamov und die Comics von Pierre Petit
gibts inzwischen ganze Bibliotheken von hervorragenden
„Übersetzern“ der wissenschaftlichen Inhalte in die alltägliche
Vorstellungswelt…

Was ich nicht verstehe (und worüber ich auch in diesen Foren
hier sehr gerne diskutieren würde!) ist die Frage, warum man
sich als (themenbezüglicher) Laie nicht erstmal einfach das
reinzieht, was man sich ohne jahrzehntelange eigene Arbeit von
denen, die in dem Fach ihr Leben verbringen, berichten und
„übersetzen“ lassen kann. Stattdessen findest du oft eine Haltung vom Typ „schwarze Löcher - alles Quatsch“… Ich halte es für unmöglich, als Nicht-Mathematiker oder Nicht-Physker auf ein Problem oder einen vermutlichen Widerspruch zu stoßen, der in
diesen Gebieten NICHT bereits jahrzehntelang diskutiert wurde.

Ich kenn es persönlich nicht anders, als bei aufkommenden
Verständnisproblemen ehemalige Kollegen aufzusuchen oder mir von
sonstigen Fachleuten erklären zu lassen, wie SIE es sehen, und
wenn ichs dann immer noch nicht raffe (in der Regel, weil mehr
dazu gehört als drei Sätze auszutauschen), dann werd ich mich
hüten, es trotzdem besser wissen zu wollen…
Und ich kenn es persönlich auch nicht anders, als wenn ich auf einem Gebiet nicht kundig aber doch neugierig bin, mir erstmal das reinzuziehen versuche, was man dort sicher weiß, bevor ich mir über die dortigen (vorerst noch) ungelösten Probleme ein Besserwissen zumute…

Bertrand Russel wurde einmal gefragt, wie es kommt, daß manche
Menschen Mathematik mit Leichtigkeit lernen und andere erfolglos
sich ihr Leben lang bemühen müssen. Er sagte „Mathematik (zu
lernen bzw. zu können) ist eine Sache der Moral“. Gemeint war,
daß es eine Sache des ehrlichen und verantwortlichen Umgangs mit
Wissen, Noch-nicht-Wissen und Nicht-Wissen ist. Es ist was
anderes, ob ich sage, „ich versteh es immer noch nicht“, oder ob
ich sage „weil ich es immer noch nicht verstehe, ist es Quatsch“
oder „weil ich es immer noch nicht verstehe, weiß ichs
besser“…

… Es ist viel großartiger, sich bewußt zu machen, zu
welchen Leistungen der menschliche Geist fähig ist, ganz
jenseits des bloßen Vorstellungsvermögens.

…Genau wie in der
Evolution halte ich auch in der Wissenschaft eine gewisse
strategische Vielfalt für sinnvoll und notwendig. Wo wären wir
heute, wenn nicht hin und wieder die gängige Lehrmeinung in
Frage gestellt worden wäre ?

Das schließt den Respekt nicht aus vor der Fähigkeit des
menschlichen Geistes (ich meine damit nicht die Individuen),
auch dort folgerichtig und selbstkonsistent zu arbeiten, wo das
sinnliche Vorstellungesvermögen „seinen Geist aufgeben“ muß.
Und außerdem wurden bisher selten Lehrmeinungen (erfolgreich!)
in Frage gestellt von Menschen, die nicht mit Haut und
Haaren in der Sache drinsteckten…

In der Hoffnung auf weitere diesbezügliche Diskussionen…

Manfred

9

Hallo Manfred,
nochmal vielen Dank für die ausführliche Antwort in „letzter Minute“

bevor das hier im Archiv versinkt, nochmal kurz ein RE:
aber das Thema läßt sich ja beliebig wieder aufgreifen. Es ist
ja fast bei allen postings in diesen natw. Foren das
eigentliche
Thema (im Hintergrund), wenns um QM oder RT oder Kosmologie
geht…

*smile*, ja, leider, es führt kein Weg daran vorbei. Die Qm
IST nicht anschaulich. Unsere Vorstellungsfähigkeit ist nun
einmal auf unsere makrophysikalische sinnlich erfaßbare Welt
eingerichtet.

Ich denke, so schlecht ist unsere Vorstellungskraft garnicht.
Sie hat mir jedenfalls bei der Lösung vieler Probleme, die mit
mathematischem Formalismus nur schwer in den Griff zu bekommen
waren, sehr geholfen.

aber dabei handelte es sich wohl kaum um quantenmechanische
Probleme, oder??

nein, aber das Zwillingsparadoxon ist ein schönes Beispiel. Ich habe bisher in keinen Physikbuch eine nachvollziehbare Erklärung dafür gefunden, wodurch die Asymmetrie genau zustandekommt. Meistens nur den lapidaren Hinweis auf den Wechsel des Bezugssystems beim Raumfahrer durch die Beschleunigung. Also habe ich mir es vorgestellt: Die beiden kommunizieren über einen Laserstrahl, der gleichzeitig gegenseitige Zeitreferenz ist. Der Doppler-Effekt ist symmetrisch. Jetzt „sehe“ ich aber, wo der Unterschied ist. Wer beschleunigt bekommt sofort eine Änderung des Doppler-Effektes mit. Der Andere erst viel später. Wenn beide die Perioden des gegenüberliegenden Lasers bis zur Rückkehr abzählen, gibt es dadurch mehr empfangene Perioden beim Raumfahrer, der folglich jünger bleibt. Interessant dabei ist, daß der Unterschied umso größer ist, je weiter weg die Beschleunigung stattfindet. Eine Beschleunigung in Erdnähe bewirkt dagegen kaum einen Unterschied.

Es ist so, daß der Teilchencharakter mit zunehmender
Wellenlänge abnimmt. Gammastrahlung tritt als fast reiner
Photonen-Puls auf, aber Radiostrahlung hat fast nur noch
Wellencharakter. Das liegt daran, daß die Wellenzüge ebenfalls
extrem lang sind.

Ja schon, aber es gibt doch keine Grenze zwischen den
Frequenzbereichen. Also müssen doch auch für Radiowellen die
Gesetze der QM grundsätzlich gültig sein.

Sind sie ja auch. Es liegt an der Nachweistechnik, daß
em-Wellen
im Radiofrequentbereich eher Wellencharakter zeigen.

Umgekehrt ist deinem Auto ja auch eine (Materie)Welle
zuzuordnen. Deren Wellenlänge ist aber so klein, daß es
absolut
aussichtslos wäre, über dieses Phänomen z.B. neue Formen der
Verkehrsregelung einzuführen…

Wenn sich ein
Detektor mit genügend großer Geschwindigkeit auf einen
Radiosender zubewegt, sollte er die Radiowellen als
Lichtquanten detektieren.

…ok, er würde sichtbares Licht wahrnehmen oder in
Mikrowellen
grillen oder einem Röntgen- oder Gammastrahl ausgesetzt sein
oder oder oder… aber ob er das ganze als Teilchenstrom oder
als
Welle nachweist, hängt immer noch vom Detektortyp ab. Es gibt
halt einfach keine Geräte (soviel ich weiß!), die
Radiostrahlen
als Photonen wahrnehmen…

Das wird wohl an der extrem geringen Energie der Radioquanten liegen. Ein Detektor könnte z.B. ein schnelles Ion mit Elektronenhülle sein, das flouresziert, wenn es einer Radiowelle entgegengeschossen wird.

Z.B. was passiert, wenn ich nur halbe Quanten aussende ?
geht das überhaupt ?

nein

Wenn nicht, was hindert mich daran ?

daß es nicht geht

Sooo genau wollte ich es nun auch nicht wissen :smile:

oder kurze Quanten hoher Intensität mit
langen Quanten geringer Intensität vergleiche.

Quanten sind nicht kurz oder lang, und haben auch keine
Intensität.

Mit einem Radiosender könnte ich diese Parameter aber senderseitig genau kontrollieren.

Was ich nicht verstehe (und worüber ich auch in diesen Foren
hier sehr gerne diskutieren würde!) ist die Frage, warum man
sich als (themenbezüglicher) Laie nicht erstmal einfach das
reinzieht, was man sich ohne jahrzehntelange eigene Arbeit von
denen, die in dem Fach ihr Leben verbringen, berichten und
„übersetzen“ lassen kann. Stattdessen findest du oft eine
Haltung vom Typ „schwarze Löcher - alles Quatsch“…

Diese Haltung kenne ich aus der esoterik-Ecke. Damit mußt Du Dich wohl genauso abfinden wie mit der QM :smile:
Ich persönlich versuche zumindest, mir alle zur Verfügung stehenden Informationen zukommen zu lassen, bevor ich etwas veröffentliche, z.B. hier im Forum. Im Laufe der Jahrzehnte bekommt man aber auch ein ganz gutes Gespür für die Naturgesetze

Ich halte
es für unmöglich, als Nicht-Mathematiker oder Nicht-Physker
auf ein Problem oder einen vermutlichen Widerspruch zu stoßen,
der in
diesen Gebieten NICHT bereits jahrzehntelang diskutiert wurde.

Nur wenn ich über offensichtliche Widersprüche kein Wort in den Büchern finde, erlaube ich mir auch mal selbst darüber nachzudenken und Fragen zu stellen :smile:

Ich kenn es persönlich nicht anders, als bei aufkommenden
Verständnisproblemen ehemalige Kollegen aufzusuchen oder mir
von
sonstigen Fachleuten erklären zu lassen, wie SIE es sehen, und
wenn ichs dann immer noch nicht raffe (in der Regel, weil mehr
dazu gehört als drei Sätze auszutauschen), dann werd ich mich
hüten, es trotzdem besser wissen zu wollen…
Und ich kenn es persönlich auch nicht anders, als wenn ich auf
einem Gebiet nicht kundig aber doch neugierig bin, mir erstmal
das reinzuziehen versuche, was man dort sicher weiß, bevor ich
mir über die dortigen (vorerst noch) ungelösten Probleme ein
Besserwissen zumute…

…Genau wie in der
Evolution halte ich auch in der Wissenschaft eine gewisse
strategische Vielfalt für sinnvoll und notwendig. Wo wären wir
heute, wenn nicht hin und wieder die gängige Lehrmeinung in
Frage gestellt worden wäre ?

Das schließt den Respekt nicht aus vor der Fähigkeit des
menschlichen Geistes (ich meine damit nicht die Individuen),
auch dort folgerichtig und selbstkonsistent zu arbeiten, wo
das
sinnliche Vorstellungesvermögen „seinen Geist aufgeben“ muß.
Und außerdem wurden bisher selten Lehrmeinungen (erfolgreich!)
in Frage gestellt von Menschen, die nicht mit Haut und
Haaren in der Sache drinsteckten…

Selbst wenn es nur 1 mal in hundert Jahren passiert, kann es doch ein großer Fortschritt sein. Je mehr Leute es versuchen, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, daß es auch mal erfolgreich endet. War Albert Einstein nicht auch so ein Besserwisser ?

In der Hoffnung auf weitere diesbezügliche Diskussionen…

bestimmt, ich habe auch schon ein paar Fragen auf Lager :smile:

Jörg