Welle-Teilchen-Dualismus des Lichtes

tom_ · Gast

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: 1973 Wohnort: Hessen

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: 11583

tom_ · Anmeldungsdatum: 23.05.2016 Beiträge: 23

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: 3398

Hallo,

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18060

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.

tom_ · Anmeldungsdatum: 23.05.2016 Beiträge: 23

Hallo Michael,

danke für Deine Antwort und Deinen guten Einwand.

tom_ · Anmeldungsdatum: 23.05.2016 Beiträge: 23

Hallo TomS,

danke für Deine Antwort.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18060

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

tom_ · Anmeldungsdatum: 23.05.2016 Beiträge: 23

Hallo TomS

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18060

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.