Zur Geschichte des Photons

Transkript

1 Zur Geschichte des Photons Jan-Peter Meyn

2 Zur Geschichte des Photons Jan-Peter Meyn Frühe Vorstellungen 2. Plancks und Einstein 3. Nach Laserphysik und Quantenoptik ab Experimente mit nicht-klassischem Licht 6. Didaktische Reflexion 2

3 Frühe Vorstellungen über Licht 13. Jhd. Lichtstrahl [Al Haytham] Experimentell als Schattengrenze demonstriert 3

4 Frühe Vorstellungen über Licht 1609 Erfindung des Teleskops Newton, Opticks 1730: Korpuskular-Theorie Lichtmodell war kein Schwerpunkt der Arbeit! Young 1801: Experimentelle Evidenz für Wellentheorie Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism 1873 [F. Hund: Geschichte der physikalischen Begriffe] 4

5 Geschichte der Wärme 5

6 Statistische Physik Ludwig Boltzmann ( ) Mechanik der Vielteilchensysteme Verwendung statistischer Methoden 6

7 Energetik Energie als fundamentale Größe Energie dominiert die neue Formulierung der Mechanik Ablehnung der mechanischen Erklärung der Wärme Mechanische Erklärung ist Rückkehr zu weniger fundamentalen Größen wie Ort und Impuls Verfechter E. Mach, W. Ostwald Bildarchiv der Österreichischen Nationalbibliothek, Wien. 7

8 Boltzmann vs. Ostwald Verbales Duell in Lübeck, [Fasol-Boltzmann 2006, S. 26] Ostwald: Es ist in der Gastheorie ein gewisses Missverhältnis zwischen Aufwand und Resultaten nicht zu leugnen Boltzmann: Seit wann wird denn bei der Schätzung wissenschaftlicher Ergebnisse die Mühe in Rechnung gestellt, die ihre Gewinnung gekostet hat Kommentar Sommerfeld Der Stier besiegte diesmal den Torero trotz aller Fechtkunst Planck beide Gegner [waren] sich an Schlagfertigkeit und natürlichem Witz ebenbürtig 8

9 Thermische Strahlung Spektrum thermischer Strahler kann nicht exakt berechnet werden Legitimations-Problem für die Statistische Physik 9

10 Beitrag Max Planck Theoretischer Physiker, Schwerpunkt Entropie, 2. Hauptsatz Skizze zur Begründung des Strahlungsgesetzes Moden des e/m Feldes im Kasten Berechne Modendichte Anregung der Moden Thermisches Gleichgewicht Absorption der Kastenwände Anregung der Moden gemäß Boltzmann-Statistik Energie einer einzelnen Mode ändert sich in Energie-Quanten hν Perfektes Modell für experimentelle Ergebnisse Ein Trick, um die Formel passend zu machen. [Dieter Hoffmann: Max Planck und die moderne Physik] [Max Planck: Die Ableitung der Strahlungsgesetze] 10

11 [H. Rubens und F. Kurlbaum: Annalen der Physik 309(4), (1901)] 11

12 Photoeffekt Einstein, Ann. Phys. 17, 132 (1905): Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt Die mit kontinuierlichen Raumfunktionen operierende Undulationstheorie des Lichts hat sich zur Darstellung der rein optischen Phänomene vortrefflich bewährt und wird wohl nie durch eine andere Theorie ersetzt werden Es erscheint [ ] die Beobachtungen über die schwarze Strahlung [ ] besser verständlich erscheinen unter der Annahme, dass die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raume verteilt sei. [Irons, EJP 25, 269 (2004); Provost & Bracco, EJP 29, 1085 (2008)] Verbindung zur kinetischen Gastheorie Aus heutiger Sicht ist die erste Aussage richtig, die zweite Aussage ist so nicht haltbar. Diskontinuierliche Verteilung führt zum Kugelmodell des Photons 12

13 Didaktischer Einschub: Das Photonen-Kugelmodell 13

14 Kugelmodell des Photons [Netzwerk Physik 7:] 14

15 Fehlvorstellungen zum Kugelmodell Folgerung: Photonen kleiner als Oberflächenstrukturen! [Netzwerk Physik 7] 15

16 Ende des didaktischen Einschubs 16

17 Einstein nach 1905 Alternative Herleitung des Strahlungsgesetzes in der üblichen Form [Verh. DPG 18, (1916)] 17

18 Mathematische Beherrschung der QM (1926) DeBroglie 1925: Materiewellen postuliert Schrödinger 1926: Wellenmechanik Heisenberg 1926: Matrizenmechanik (diskrete Zustände) Schrödinger: Mathematische Äquivalenz von Wellen- und Matrizenmechanik sowie Überlegenheit gegenüber älteren Theorien Ann. Phys 80, 734 (1926) Heisenberg 1927: Unschärferelation Damit ist die Quantenphysik als Mechanik etabliert Grundlage der üblichen Quantenmechanik-Vorlesung 18

19 Weitere Entwicklung der Quantenphysik G. Wentzel: Photoeffekt in semiklassischer Näherung (1926) Atom ist quantisiert gemäß Schrödinger-Gleichung Störung durch Licht als elektromagnetische Welle [G. Wentzel, Zeitschrift für Physik 40, 574 (1926)] 19

20 Wentzel als Kugel-Photonen-Forscher Werner Heisenberg, Development of concepts in the history of quantum theory, Am. J. Phys. 43, (1973) 20

21 Photonenzahl als Erhaltungsgröße? Gilbert N. Lewis, Nature 118, 874 (1926) 21

22 Quantentheorie des e/m Feldes P.A.M. Dirac: Relativistische Quantentheorie (1928) Grundlage der Quantisierung des e/m Feldes (Erinnerung: Relativitätstheory ist Elektrodynamik) E. Fermi: Ergebnisse entsprechen des klassisch erwarteten [Quantum Theory of Radiation, Rev. Mod. Phys. 4, (1932)] Entwicklungen unmittelbar nach Schrödinger-Gleichung sind in der Grundausbildung gänzlich unbekannt oder unbewusst. aber Standard in der Atomphysik [Haken-Wolf, ] 22

23 1960er Jahre: Grundlagen der Quantentheorie 1960 Erfindung des Lasers als Arbeitspferd der Atomphysik 1963 R. Glauber beschreibt e/m Welle in Photonenzahlen [Phys. Rev. Lett. 10, 84-86], Nobelpreis Bell schlägt experimentelle Überprüfung des EPR- Paradoxons vor Viele Arbeiten zur semiklassischen Theorie Theoretische und später experimentelle Suche nach nichtklassischem Licht 23

24 Wenn man QED kann, reicht klass. e/m Feld... 24

25 Wenn man QED kann, macht man das auch [R. Glauber, Phys. Rev. 131, 2766 (1963)] Few problems of physics have received more attention in the past than those posed by the dual wave-particle properties of light. The story of the solution of these problems is a familiar one. It has culminated in the development of a remarkably versatile quantum theory of the electromagnetic field. Yet, for reasons which are partly mathematical and partly, perhaps, the accident of history, very little of the insight of quantum electrodynamics has been brought to bear on the problems of optics. The statistical properties of photon beams, for example, have been discussed to date almost exclusively in classical or semi-classical terms. Such discussions may indeed be informative, but they inevitably leave open serious questions of self-consistency, and risk overlooking quantum phenomena which have no classical analogs. (note: Glauber was offered a photon licence by Lamb) 25

26 Photomultiplier: semiklassisch vs. QED Erwartetes Signal bei elektromagnetischer Welle Wahre Aussage: Photon wird absorbiert click t Falsche Aussage: click Licht besteht aus einzelnen Photonen Kohärenter Zustand 26

27 Nicht-klassisches Licht Quantenphänomene anders als klassisch erwartet Formalismus liefert andere Resultate als semiklass. Theorie Landau/Lifshitz Band IV: QED, Kapitel I Das Photon Experiment muss auf QED-Effekt beruhen Spontane Emission Parametrische Fluoreszenz Erstes Experiment zur Photonenpaarerzeugung 1970 [D. C. Burnham and D. L. Weinberg, Phys. Rev. Lett. 25, 84] 27

28 Unterscheidung QED./. semiklassisch 69 Jahre nach Einsteins Deutung des Photoeffekts 46 Jahre nach Dirac-Gleichung 14 Jahre nach Erfindung des Lasers 28

29 Fluoreszenzkaskade [Aspect, Grangier, Roger, Phys. Rev. Lett. 47, 460 (1981)] 239nm Lebensdauer 5,4 ns (kurz!) 29

30 Photonen am Strahlteiler [Grangier, Roger, Aspect, Europhys. Lett 1, (1986)] Ca - Atomstrahl 30

31 Nachweis der Antikorrelation Auswertung der Koinzidenzmessung 31

32 Quantenrauschen Alternativ: coherent states an Stelle von Fock states Verallgemeinerung squeezed states reduziere Amplitudenrauschen zu Lasten des Phasenrauschens [D. F. Walls, Nature 306, 141 (1983)] [Breitenbach, Schiller, Mlynek; Nature 387, 471 (1997)] 32

33 Geburt und Zerfall eines Photons Gleyzes et al., Nature 2007, p

34 Didaktische Reflexion 34

35 Am. J. Phys. 57, (1989) 35

36 Über Photonen sprechen Licht hat keinen Teilchencharakter Daher gibt es auch keinen Welle-Teilchen-Dualismus Photon ist Elementaranregung des e/m Feldes Plancks Idee zum Strahlungsgesetz ist aktuell geblieben Energieportion E= ħω Räumliche Ausdehnung gemäß Maxwell-Gleichung Komplexer Photonen-Zustand (Bell-state) > 144km nachgewiesen Photon nur sinnvoll als Erweiterung der Maxwell-Theorie Nicht-klassisches Licht ist nicht offensichtlich! anders als Supraleitung, Leitwertquantisierung, Einzelereignisse + Statistik mit Fock-states Quantenrauschen mit coherent states 36

37 Über Photonen heute sprechen Experiment mit PDC Definition des Photons über Präparationsmethode Ereignisse auf Zeitskala [Bronner et al. Eur. J. Phys. 2009, p345] 37

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