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Welle-Teilchen-Dualismus des Lichtes
 
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tom_
Gast





Beitrag tom_ Verfasst am: 22. Mai 2016 12:11    Titel: Welle-Teilchen-Dualismus des Lichtes Antworten mit Zitat

Meine Frage:
Hallo,

in einem Nachbarforum (www.quanten.de) habe ich vor einiger Zeit eine Frage zum Welle-Teilchen-Dualismus des Lichtes konkret am Beispiel eines Quanteneraser-Experiments (https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_eraser_experiment) gestellt. Und zwar würde ich gerne wissen, wieso Licht nicht in der Weise interpretiert wird, wie ich es dort beschreibe und vorrechne. Möglicherweise wird es das ja auch, und ich kenne nur die entsprechenden Literaturstellen nicht. Falls ja, bitte ich um Antwort. Ansonsten suche ich nach Argumenten, die gegen das Modell sprechen. Dass diese Erklärungsmöglichkeit bisher übersehen worden sein soll, kann ich mir kaum vorstellen.


Meine Ideen:
Die Grundhypothese ist folgende: Licht könnte eine Mischung aus einer klassischen EM-Welle und darin eingelagerten Partikeln sein, die von der EM-Welle mitgerissen werden, wie Styroporkügelchen in einem Wasserstrom. Die EM-Welle sorgt dann für die Welleneigenschaften, die Partikel für die Teilcheneigenschaften des Lichts. Was könnten diese Styroporkügelchen im Falle von Licht sein? Wer sich mit klassischer Elektrodynamik auskennt, kommt sofort auf die Idee, dass es sich hier um elektrisch neutrale, extrem leichte Dipole handeln könnte. Dass das Sinn ergibt, wird deutlich, wenn man nachrechnet.

Zum Einen werden neutrale Dipole durch räumlich inhomogene EM-Wellen angezogen, wenn die Eigenfrequenz der Dipole größer ist, als die Frequenz der EM-Welle. Dass das so ist, zeige ich hier (http://www.quanten.de/forum/showpost.php5?p=81837&postcount=1). Zum Anderen werden neutrale Dipole im Nahfeld einer Antenne beschleunigt, und zwar immer in die Richtung, in die sich die TEM-Welle ausbreitet (http://www.quanten.de/forum/showpost.php5?p=81840&postcount=1). Nimmt man also an, dass das Vakuum mit extrem leichten, elektrisch neutralen Dipolen durchsetzt ist, so wäre es eine unmittelbare Folge und Forderung der klassischen Physik, dass sich diese Dipole mit Lichtgeschwindigkeit in einer TEM-Welle mitbewegen.

Jetzt kann man anfangen, Interferenzexperimente mit Licht zu analysieren. Ich tue das hier (http://www.quanten.de/forum/showpost.php5?p=81915&postcount=7). Die Berechnungen zeigen, dass wenn immer die klassische EM-Welle interferiert oder nicht interferiert, die eingelagerten Partikel ein Interferenzmuster bilden oder nicht bilden. Die Ursache dafür sind klassische Kräfte auf die Partikel, die dann auftreten, wenn die klassische EM-Welle ein nichttriviales Intensitätsmuster hinter der Schlitzblende erzeugt. Der Umstand, dass Information über den Weg der Partikel zur Verfügung steht ist hingegen nicht relevant, allerdings mit dem Vorhandensein von nichttrivialen Intensitätsmustern korreliert. Die Kopenhagener Deutung ist daher als Beobachtungstatsache erfüllt (aber auch nur als solche).

Hat irgendwer Hinweise oder Anmerkungen?

VG
Tom
Brillant



Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1725
Wohnort: Hessen

Beitrag Brillant Verfasst am: 23. Mai 2016 10:42    Titel: Antworten mit Zitat

Wenn sich eine Welle ausbreitet, ist es dann Bedingung, dass "mitgerissene" Teilchen die Geschwindigkeit der Welle annehmen?

Bei Wellen des Seewassers schwingen die Wasserteilchen senkrecht zur Richtung der Welle und dennoch bewegen sie sich am Strand mit dieser Richtung. Ein Dualismus des Wassers?
franz



Anmeldungsdatum: 04.04.2009
Beiträge: 11573

Beitrag franz Verfasst am: 23. Mai 2016 13:50    Titel: Antworten mit Zitat

Brillant hat Folgendes geschrieben:
Bei Wellen des Seewassers schwingen die Wasserteilchen senkrecht zur Richtung der Welle.

Irrtum.
tom_



Anmeldungsdatum: 23.05.2016
Beiträge: 23

Beitrag tom_ Verfasst am: 23. Mai 2016 21:13    Titel: Welle-Teilchen-Dualismus des Lichtes Antworten mit Zitat

Hallo Brillant und Franz,

zu Deiner Frage, Brillant, das Wasser-Styroporkugel-Vergleich sollte nur das ungefähre Bild klarmachen. Es hinkt auf beiden Beinen. Die Dipole müssen nicht zwangsläufig Lichtgeschwindigkeit haben. Sie werden nur immer weiter beschleunigt, solange sie sich im Nahfeld befinden. Da sie sehr leicht sein dürften, haben sie am Ende einen Wert nahe Lichtgeschwindigkeit. Eine höhere Frequenz der Antenne führt zu einer stärkeren Beschleunigung. Am Ende ist die Energie proportional zur Frequenz.

Im Fernfeld besteht die EM-Welle dann wohl nur noch aus Dipolen (so stelle ich es mir vor). Diese schwingen dann mit der Frequenz der ursprünglichen Welle und haben auch deren Polarisation. Sie sind dann praktisch kleine, fliegende Antennen, die sich selbst wieder jeweils in eine klassische EM-Welle einhüllen. Das ist dann der eigentliche Welle-Teilchen-Dualismus.

Zum "Welle-Teilchen-Dualismus des Wassers": Wie gesagt der Vergleich hinkt furchtbar. Aber ich könnte mir vorstellen, dass man das einfachste quantenmechanische Doppelspaltexperiment tatsächlich grob damit nachstellen könnte (im Abi z.B.). Man benötigt eine Wasserwelle mit Strömung (Anmerkung von Franz), Styroporkugeln und eine Doppelschlitzblende. Die Wasserwelle interferiert hinter dem Doppelspalt. Die Styroporkugeln werden bevorzugt dort entlangwandern, wo destruktive Interferenz herrscht (Vermutung!). Man kriegt dann ein "Styroporkugelinterferenzmuster" :-) Beim Licht laufen die Dipole aber dort entlang, wo konstruktive Interferenz auftritt. Das ist eine Folge der ponderomotorischen Kraft, die man im Wasser so nicht nachstellen kann.

VG
Tom
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 2247

Beitrag ML Verfasst am: 23. Mai 2016 22:46    Titel: Re: Welle-Teilchen-Dualismus des Lichtes Antworten mit Zitat

Hallo,

tom_ hat Folgendes geschrieben:

Hat irgendwer Hinweise oder Anmerkungen?


mir scheint, Du führst mit den Dipolen gewissermaßen den Äther wieder ein. Ich sehe nicht, dass massebehaftete Dipole die grundlegenden Probleme mit der Ätherhypothese (konkret: in Bezug auf das Michelson-Morley-Experiment) lösen könnten.

Die Beschreibung ist aber konkret genug, um sie ggf. falsifizieren zu können, wenn auch das Wort "Mischung" nicht sehr aussagekräftig ist. Deiner Beschreibung nach müsste eine Hochspannungsquelle (Gleichspannung) geeignet sein, um die Dipole einzufangen. Ist das irgendwo schonmal beschrieben worden?


Viele Grüße
Michael
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 12580

Beitrag TomS Verfasst am: 24. Mai 2016 07:26    Titel: Antworten mit Zitat

Hallo Tom,

so wie ich das sehe denkst du in Richtung einer deBroglie-Bohm-Theorie für Photonen. Es ist m.W.n. nie gelungen, diese vernünftig zu formulieren. Anbei ein paar Ideen, was die Theorie leisten müsste und wo die zwei wesentlichen Schwierigkeiten zu erwarten sind.

Nach deBroglie-Bohm bewegen sich klassische Teilchen in einem Führungsfeld, dessen Dynamik durch die Quantenmechanik definiert ist. D.h. die Gleichungen für das Führungsfeld wären aus einem entsprechenden Formalismus abzuleiten bzw. müssen mit diesem in Einklang stehen. In deinem Falle müsste das neben Photonen auch für Elektronen und Positronen zutreffen (da du ansonsten nur freie Photonen beschreiben kannst). Damit benötigst du die Maxwell- sowie die die Dirac-Gleichung als Ausgangspunkt für die Dynamik des Führungsfeld.

Als Gleichung für die Teilchenbewegung im Führungsfeld gibt es im Falle der Elektronen und Positronen sicher geeignete Kandidaten aus der klassischen Elektrodynamik (evtl. macht der Spin Probleme). Eine entsprechende Gleichung für Photonen kann ich nicht erkennen.

Gemäß deBroglie-Bohm entspricht die Wahrscheinlichkeitsdichte tatsächlich einer Art klassischer Teilchendichte. Es ist zu zeigen, dass die o.g. Gleichungen der Teilchendynamik einer Quantengleichgewichtshypothese genügen, d.h. dass unter der Annahme einer Teilchendichte, die mathematisch gleich der Wahrscheinlichkeitsdichte ist, diese Entsprechung auch im Zuge der Dynamik erhalten bleibt. Andernfalls würde die Wahrscheinlichkeitsinterpretation nach Born nicht funktionieren. Im vorliegenden Falle müsste man dies jedoch auf die o.g. Maxwell- und Dirac-Gleichung erweitern bzw. geeignet modifizieren.

Im Rahmen der QED wissen wir, dass Effekte wie Paarproduktion, Paarvernichtung, Bremsstrahlung, Zerfälle, Teilchenumwandlung u.a. existieren. Mir ist völlig, wie man das konsistent mit dem klassischen Teilchenbild in Übereinstimmung bringt.

Eine weitere Herausforderung wäre die Erklärung der Stabilität der Atome (die Quantenmechanik leistet dies im eigtl. Sinne nicht, da sie keine Kopplung der Elektronen an ein quantisierter Strahlungsfeld enthält; die QED muss dies prinzipiell leisten, wobei ich auch da keinen strengen mathematischen Beweis sehe; die Quantenmechanik kann jedoch zumindest die Existenz eines Grundzustandes = eines tiefsten erlaubten Zustandes bei endlicher Energie beweisen). In deinem Falle müsste die Erklärung jedoch auf Basis von Trajektorien von Elektronen erfolgen, die zudem mit dem Photonfeld wechselwirken.

_________________
Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago.
tom_



Anmeldungsdatum: 23.05.2016
Beiträge: 23

Beitrag tom_ Verfasst am: 24. Mai 2016 23:39    Titel: Re: Welle-Teilchen-Dualismus des Lichtes Antworten mit Zitat

Hallo Michael,

danke für Deine Antwort und Deinen guten Einwand.

ML hat Folgendes geschrieben:
mir scheint, Du führst mit den Dipolen gewissermaßen den Äther wieder ein. Ich sehe nicht, dass massebehaftete Dipole die grundlegenden Probleme mit der Ätherhypothese (konkret: in Bezug auf das Michelson-Morley-Experiment) lösen könnten.


Naja, der Äther wird nicht wieder eingeführt, denn es wird hier zwischen EM-Feld und Photonen unterschieden. Die EM-Kraft breitet sich in jedem Bezugssystem immer mit Lichtgeschwindigkeit aus. Das gilt auch für Photonen, die sich mit einer Geschwindigkeit nahe c bewegen. Aus ihrer Sicht hat die von ihnen selbst abgestrahlte Sekundärwelle Lichtgeschwindigkeit. Für einen ruhenden Beobachter, der das bewegte Photon "sieht", scheint das Sekundärfeld des Dipols durch die Lorentzkontraktion in Bewegungsrichtung jedoch extrem abgeflacht. Da aber gleichzeitig die Schwingung durch die Zeitdilatation verlangsamt wirkt, bleibt die Wellenlänge erhalten. Das alles habe ich nicht nachgerechnet. Ist also ohne Gewähr.

Aber was klar ist, ist, dass die Lichtgeschwindigkeit auch in dieser Modellvorstellung das oberste Limit bleibt. Man müsste sich nun allerdings fragen, aus was das eigentliche EM-Feld besteht. Die Photonen wären ja dann nicht mehr die tatsächlichen Feldquanten. Möglicherweise gibt es noch viel kleinere, masselose Kraftvermittler, die das eigentliche EM-Feld bilden. Da aber die Dipole die Energie dieses Feldes zu einem großen Teil aufnehmen, sind sie es, die letztlich als Feldquant in Erscheinung treten.

ML hat Folgendes geschrieben:
Die Beschreibung ist aber konkret genug, um sie ggf. falsifizieren zu können, wenn auch das Wort "Mischung" nicht sehr aussagekräftig ist. Deiner Beschreibung nach müsste eine Hochspannungsquelle (Gleichspannung) geeignet sein, um die Dipole einzufangen. Ist das irgendwo schonmal beschrieben worden?


Eine räumlich homogene Gleichspannung müsste wirkungslos sein. Die Dipole sind ja neutral und das Dipolmoment wechselt ständig das Vorzeichen. Aber mit einem stark inhomogenen, statischen E-Feld in Richtung der Polarisation könnte man vielleicht einen Laserstrahl leicht krümmen, wenn die Feldstärke groß genug ist. Mir ist nicht bekannt, ob das schon mal untersucht wurde.

VG
Tom


Zuletzt bearbeitet von tom_ am 24. Mai 2016 23:50, insgesamt einmal bearbeitet
tom_



Anmeldungsdatum: 23.05.2016
Beiträge: 23

Beitrag tom_ Verfasst am: 24. Mai 2016 23:49    Titel: Antworten mit Zitat

Hallo TomS,

danke für Deine Antwort.

Zitat:
Nach deBroglie-Bohm bewegen sich klassische Teilchen in einem Führungsfeld, dessen Dynamik durch die Quantenmechanik definiert ist. D.h. die Gleichungen für das Führungsfeld wären aus einem entsprechenden Formalismus abzuleiten bzw. müssen mit diesem in Einklang stehen. In deinem Falle müsste das neben Photonen auch für Elektronen und Positronen zutreffen (da du ansonsten nur freie Photonen beschreiben kannst). Damit benötigst du die Maxwell- sowie die die Dirac-Gleichung als Ausgangspunkt für die Dynamik des Führungsfeld.


Ja, das ist richtig. Ich denke nur, dass es andersherum einfacher sein müsste, also von der konkreten Anschauung ausgehend die Schrödingergleichung bzw. wenn möglich, die Dirac-Gleichung herzuleiten. Dazu werden sicher Vereinfachungen nötig sein. Als Ausgangspunkt könnte man die These verwenden, dass die Intensität der EM-Welle gleich dem Quadrat der Wellenfunktion ist. Die Brücke zu Elektronen und Positronen könnte man schlagen, indem man auch sie sich als Dipole vorstellt. In dem Fall allerdings als nichtneutrale. Das hätte auch den Vorteil, dass man so vielleicht den Spin erklären kann.

Zitat:
Als Gleichung für die Teilchenbewegung im Führungsfeld gibt es im Falle der Elektronen und Positronen sicher geeignete Kandidaten aus der klassischen Elektrodynamik (evtl. macht der Spin Probleme). Eine entsprechende Gleichung für Photonen kann ich nicht erkennen.


Hier verstehe ich noch nicht, was Du meinst. Wären Photonen lediglich neutrale Dipole, so würde auf sie die ponderomotorische Kraft wirken. Der Gradient der Intensität der EM-Welle würde dann zu einer Art Potential. Ob das zur guiding equation passt, weiß ich noch nicht.

Zitat:

Gemäß deBroglie-Bohm entspricht die Wahrscheinlichkeitsdichte tatsächlich einer Art klassischer Teilchendichte. Es ist zu zeigen, dass die o.g. Gleichungen der Teilchendynamik einer Quantengleichgewichtshypothese genügen, d.h. dass unter der Annahme einer Teilchendichte, die mathematisch gleich der Wahrscheinlichkeitsdichte ist, diese Entsprechung auch im Zuge der Dynamik erhalten bleibt. Andernfalls würde die Wahrscheinlichkeitsinterpretation nach Born nicht funktionieren. Im vorliegenden Falle müsste man dies jedoch auf die o.g. Maxwell- und Dirac-Gleichung erweitern bzw. geeignet modifizieren.


OK.

Zitat:
Im Rahmen der QED wissen wir, dass Effekte wie Paarproduktion, Paarvernichtung, Bremsstrahlung, Zerfälle, Teilchenumwandlung u.a. existieren. Mir ist völlig, wie man das konsistent mit dem klassischen Teilchenbild in Übereinstimmung bringt.


Idee: Wenn auch Elektronen und Positronen nicht neutrale Dipole wären, so würden ein Elektron und ein Positron zusammen einen oder mehrere neutrale Dipole (also hier Photonen) und viel EM-Welle bilden. Wo dann die Masse bleibt, wäre noch zu klären.

Zitat:
Eine weitere Herausforderung wäre die Erklärung der Stabilität der Atome (die Quantenmechanik leistet dies im eigtl. Sinne nicht, da sie keine Kopplung der Elektronen an ein quantisierter Strahlungsfeld enthält; die QED muss dies prinzipiell leisten, wobei ich auch da keinen strengen mathematischen Beweis sehe; die Quantenmechanik kann jedoch zumindest die Existenz eines Grundzustandes = eines tiefsten erlaubten Zustandes bei endlicher Energie beweisen). In deinem Falle müsste die Erklärung jedoch auf Basis von Trajektorien von Elektronen erfolgen, die zudem mit dem Photonfeld wechselwirken.


Ich denke ja, dass das eigentliche EM-Feld durch sehr viel kleinere, masselose, punktförmige Feldquanten vermittelt wird. Durch die Quantisierung entsteht ein Rauschen der EM-Kraft. Die Zufälligkeit könnte daher stammen. Über Atome habe ich bereits nachgedacht. Angenommen, ein Elektron wäre auch ein Dipol, so würde es auf seiner Bahn durch die elektrische Kraft des Kerns auseinandergezogen. Er beginnt dann zu schwingen und eine EM-Welle abzustrahlen. Man hätte dann zwei Wellen. Eine entsteht durch die Bewegung des Elektrons, eine durch die Bewegung der Ladungen im Elektron. Nun kann man wieder die Intensität ausrechnen. Bei einer Kreisbewegung um den Kern, würden nur dann stabile Intensitätsmuster entstehen, wenn die innere Schwingung des Elektrons zur Bahnkurve passt. Diese Intensität wirkt dann zusätzlich durch die ponderomotorische Kraft stabilisierend. Ähnliches gilt für andere Bahnen, z.B. durch den Kern. Ist aber alles reine Spekulation. Ich möchte nur mal Denkimpulse geben.

VG
Tom
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 12580

Beitrag TomS Verfasst am: 26. Mai 2016 00:10    Titel: Antworten mit Zitat

Ich denke, wir kommen nicht weiter, solange wir keine konkreten (= mathematisch ausformulierten) Modelle diskutieren können.
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tom_



Anmeldungsdatum: 23.05.2016
Beiträge: 23

Beitrag tom_ Verfasst am: 26. Mai 2016 11:33    Titel: Antworten mit Zitat

Hallo TomS

TomS hat Folgendes geschrieben:
Ich denke, wir kommen nicht weiter, solange wir keine konkreten (= mathematisch ausformulierten) Modelle diskutieren können.


Ja, sehe ich genauso. Im Moment kann man mit meinem Ansatz nichts berechnen. Klingt alles interessant, eine wissenschaftliche Theorie ist es mit nichten. Ich werde hin und wieder mal meinen weiteren Stand posten. Würde mich freuen, wenn Du den einen oder anderen Rat geben könntest.

By the way, kann mit hier eigentlich Formeln eingeben. Mit MathJax vielleicht?

VG
Tom
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 12580

Beitrag TomS Verfasst am: 26. Mai 2016 12:45    Titel: Antworten mit Zitat

Mittels LaTeX.

Entweder auf Button "f(x)", dann die Formel tippen, oder mittels des rot markierten Links "Formeleditor" und dort die Formel tippen oder aus Vorlagen zusammensetzen.


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