Die Welt der Quanten – Eine Annäherung

In diesem Eintrag geht es um die Geschichte der Quantentheorie und eine Annäherung zum Verständnis dieser eigenartigen und faszinierenden Welt. Annäherung wurde hier bewusst gewählt, weil dies einer der Themen ist, das ich mit besonderer Vorsicht handhabe.

Quantenphysik ist kompliziert, und besonders Respekt einflößend
(Quelle: Pixabay)

Die Geschichte der Quanten

Mit der Frage ob Licht Welle oder Teilchen ist, haben sich Naturwissenschafter schon im 17. Jahrhundert beschäftigt – seit der Zeit Isaac Newtons (Dezember 1642 – 20. März 1726).

Hierbei führe ich zwei Zeitstrahle auf, der Erste basiert auf einem Text von Geokompakt (Ausgabe Nr. 69, 12. November 2021) und der Zweite auf einen Artikel von Spektrum der Wissenschaft („100 Jahre Quantentheorie“, 01.04.2001).

Erster Teil: 1600 bis 1988

1600-1700
Isaac Newton verstand Licht als ein Strom winziger „Korpuskeln“ (also Teilchen), da nur so die geradlinige Ausbreitung von Lichtstrahlen, ihre Brechung und Reflexion zu erklären sei. Dies ging als Korpuskulartheorie in die Geschichte ein, wurde allerdings später widerlegt.

Die Wellentheorie, wenn auch nicht der uns vertrauten mit der periodischen Bewegung, wurde von Christian Huygens (1629-1695) begründet. Er sah nämlich eine große Ähnlichkeit zwischen Wellen und Licht bei den Vorgängen der Ausbreitung, Reflexion und Brechung.

Welle oder Teilchen? Zwei gegensätzliche Prinzipien

Wellen	Teilchen
Wellen können sich über ein großes Volumen ausbreiten; andere Wellen könne durchdrungen werden und so verstärkt oder aufgehoben werden.	Teilchen sind an einem Punkt konzentriert und stoßen andere Teilchen weg.

1700-1800
Die Verknüpfung des Wellenbegriffs mit der periodischen Bewegung kam Thomas Young (1773-1829) und Augustin-Jean Fresnel (1788-1827) zuteil.

Young durchführte im Jahr 1803 ein einfaches Experiment: er verdunkelte sein Zimmer mit dem Fensterladen, in dem er zuvor ein Loch gebohrt hatte. Dann klebte er davor ein Papier, das er mit einer Nadel durchstochen hat. Das Sonnenlicht fiel durch die Öffnung und wurde durch einen Spiegel auf seine Zimmerwand umgeleitet. Mit einem Kartonstreifen, der „ein dreißigstel Zoll“ groß war, beobachtete er dann den Vorgang.

Wenn Newton Recht hat, und Licht aus Teilchen besteht, dann müsste sich ein scharfer Schatten abzeichnen da der Kartonstreifen die Teilchen abblockt wie ein aufgespannter Regenschirm den Regen abhält.
Sind die Lichtstrahlen jedoch Wellen, wie Huygens behauptet, dann können die Lichtstrahlen auch in den Schattenbereich gelangen indem sie sich hinter dem Karton wieder zusammensetzen. Vergleichbar mit Lärm der sich auch hinter einer Mauer ausbreitet und so hörbar ist.

Ergebnis: es entstand ein Interferenzmuster. Das Licht hat sich nach dem Karton wieder zusammengesetzt; dort wo es gleichzeitig auftraf, verstärkten sie sich (hell), und wo eine Überlagerung stattfand, löschten sie sich aus was (dunkel).

Fresnel, dem Young’s Experiment unbekannt war, kam zu dem selben Schluss indem er mit verschiedenen Geräten Interferenzmuster und Beugungen erzeugte.
1800
In den 1860ern entwickelte James Clerk Maxwell (1831-1879) die Wellentheorie weiter. Mit Gleichungen beschrieb er Licht als Schwingung eines elektromagnetischen Feldes (Elektromagnetische Theorie), womit sich die Wellentheorie durchsetzte.
Er stellte auch die fundamentalen Gleichungen des Elektromagnetismus in den Jahren 1861-1864 auf (Maxwell-Gleichungen). Rätsel gab es dennoch.
So konnten Physiker nicht mit der Wellentheorie erklären, warum erhitzte Gegenstände wie Eisen mit steigender Hitze in einer anderen Farbe glühen (Dunkelrot -> helles Kirschrot -> Gelb -> immer weißer -> blau).
1899-1900
Max Planck (1858-1947) fand dann endlich die richtige Formel, auch wenn er sie – laut Tobias Hürter (* 1972) – am anfang aus Verzweiflung nicht annehmen wollte. Als Naturkonstante h wird sie später als plancksches Wirkungsquantum bekannt.
Am 14. Dezember 1900 stellt er seine Erkenntnisse auf der Sitzung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft vor, dieser Tag gilt als die Geburtsstunde der Quantentheorie.
1905
Albert Einstein (1879-1955) übernahm die Erklärung von Planck wörtlich und veröffentliche ein Artikel in der Physikzeitschrift „Annalen der Physik“ mit dem Titel „Über einen die Erzeugung des Lichts betreffend heuristischen Gesichtspunkt“.
Die Lichtteilchen bekamen einen Namen: Photonen*.

[Falls Sie sich für den Originaltext interessieren, der von Albert Einstein am 17. März 1905 verfasst wurde und am 18. März 1905 eingegangen ist, können Sie in hier – sowie weitere Beiträge – herunterladen/lesen (Nr. 6): https://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/Einstein-in-AdP.htm]

*Zu den Photonen später noch genaueres.
1908
In diesem Jahr durchführte der Physiker G. I. Taylor (1886-1975) ein abgeändertes Doppelspalt-Experiment. Mit rußgeschwärzten Glasplatten reduzierte er die Lichtquelle so stark, dass die mutmaßlichen Lichtteilchen fast nur noch einzeln durchkamen. Er benutzte eine Fotoplatte als Schirm und belichtete diese über Monate.
Wie von Einstein vorhergesagt, kam das Licht in kleinen Paketen auf der Fotoplatte an.
Über die Monate hinweg kam ein Interferenzmuster zustande, was heißt dass die einzelnen Lichtteilchen eine Wellennatur in sich tragen.
1923
15 Jahre nach Taylor’s Experiment postulierte Louis de Broglie, ein Physikdoktorand, dass nicht nur Licht sondern auch Materie sich als Welle verhalten könne.
De Broglie hat den Gedankengang Einsteins umgekehrt: „Wenn Licht sich wie ein Strom von Teilchen verhalten kann, warum sollten sich dann nicht andere Teilchen – etwa Elektronen oder Atome – wie Welle verhalten können?“ (S. 38)
In dem Davisson-Germer Experiment (1924-1927) wurde seine Spekulation bestätigt.
(hier der Artikel zum nachlesen, Englishe Sprache: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1085484/)
1920er
In den 20er Jahren konnten Werner Heisenberg (1901-1976) und Erwin Schrödinger (1887 – 1961) eine Theorie finden die zwar nicht das Verhalten erklären, dafür aber beschreiben konnte: die Quantenmechanik. Nach dieser Theorie sind Licht und Materie weder reine Wellen noch Teilchen, sondern etwas Neues: Quantenobjekte.
1957
Claus Jönsson (* 1930) führte dann das eigentliche Doppelspalt-Experiment durch. Das Resultat waren auch Interferenzmuster.
„In der Optik wird als Nachweis der Welleneigenschaft stets der Doppelspaltversuch von Young angeführt. Möllenstedt und sein Schüler Jönsson wollten mit einem adäquaten Experiment zeigen, dass ein Elektron genau wie das Licht nicht nur Teilcheneigenschaften, sondern auch Welleneigenschaften zeigt. Insofern ist das Doppelspalt-Interferenz-Experiment mit Elektronenstrahlen ein direkter Nachweis für die „Richtigkeit“ der Quantenmechanik.“ (Quelle: leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-elektron/versuche/doppelspaltversuch-von-joensson)
1974
17 Jahre nach Jönsson’s Experiment gelang es den italienischen Wissenschaftlern Pier Giorgi Merli (1943-2008), Gian Franco Missiroli ( * 1933) und Giulio Pozzi (* 1945) das Experiment von G. I. Taylor mit Elektronen durchzuführen. Das Resultat waren auch Interferenzstreifen.
Bekannt als das Merli–Missiroli–Pozzi Doppelspalt Elektronen-Interferenz Experiment (hier ein Artikel darüber auf Englisch: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4617474/) wurde es im Mai 1974 eingereicht und zwei Jähre später, im März, veröffentlicht.
1988
Der Grund warum ich 1988 miteinbeziehe ist wegen dem US-amerikanischen Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynmann (1918-1988) der in dem Jahr gestorben ist.
Über ihn wird auch in dem Artikel des Hefts geschrieben. In Bezug auf die widersprülichen Aspekte dass Photonen, Elektronen und andere Materiebausteine scheinbar haben: „Das Paradox ist nur ein Konflikt zwischen der Wirklichkeit und unserem Gefühl, was die Wirklichkeit sein soll.“
Mehr über diese interessante Persönlichkeit in dem Artikel von Stephan Hartmann in Spektrum der Wissenschaft: „Feynman selbst verabscheute zeitlebens aufgeblasene mathematische Formalismen; er sah sich stets wie ein Junge vom Land, der mit naiver Unbefangenheit zielstrebig – und erfolgreich – an Probleme herangeht.“
Ganzer Artikel: https://www.spektrum.de/magazin/richard-feynman-leben-und-werk-des-genialen-physikers/822441

Zweiter Teil: 14. Dezember 1900 bis 1. April 2001

In dem zweiten Teil geht es um den Artikel von Spektrum der Wissenschaft. Überschneidungen sind beabsichtigt, auf eine doppelte Erläuterung oder Verlinkung wird jedoch verzichtet (z. B. Geburtsdatum, bereits verlinkte Artikel).

1871
In diesem Jahr waren die Wissenschaftler besonders optimistisch gestimmt, wie ein Zitat von James Clerk Maxwells Antrittsvorlesung an der Universität Cambridge das Bild spiegelt: „Schon in wenigen Jahren werden alle fundamentalen physikalischen Konstanten annähernd bestimmt worden sein, und … die einzige Beschäftigung, die dann den Wissenschaftlern bleibt, wird sein, diese Messungen eine Dezimalstelle weiter zu treiben.“ Auch wenn er selber die Meinung nicht teile.
Es gab jedoch gute Gründe für den Optimismus: die klassische Mechanik und Elektrodynamik trieben die industrielle Revolution voran, zudem mochten die Grundgleichungen alle physikalischen Systeme zu beschreiben. Nur ‚Details‘ wie das glühend heiße Objekt (siehe 1800, Erster Teil), auf dessen Strahlungsspektrum keine Formel passte, waren noch zu klären.
1900
Max Planck gelang die Herleitung des korrekten Spektrums in seiner Arbeit, jedoch sei die Annahme so bizarr gewesen dass er sich davon viele Jahre lang distanzierte: „Energie werde nur in bestimmten Portionen oder „Quanten“ emittiert“. Diese Quantenhypothese entsprang aus seiner Arbeit „Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum„, in dieser er das Strahlungsgesetz des schwarzen Körpers herleitet. Hier im Original – als Open Access – nachzulesen: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/phbl.19480040404.
1905
Albert Einstein übernahm diese Idee und ging einen Schritt weiter.
Seine Annahme war, dass Strahlung Energie nur in solchen Stücken oder ‚Photonen‘ transportieren könne. Dadurch erklärte er den photoelektrischen Effekt, der bei den Vorgängen in heutigen Solarzellen und Bildsensoren in Digitalkameras eine zentrale Rolle spielt.
1911
Ernest Rutherford (1871-1937) hat in diesem Jahr überzeugend dargelegt, dass die Atome aus Elektronen bestehen, die einen positiv geladenen Kern umkreisen – ähnlich wie Planeten einen Orbit um die Sonne haben. Nach der Theorie des Elektromagnetismus wäre dies nicht möglich, da die umkreisenden Elektronen ihre Energie kontinuierlich abstrahlen müssten und innerhalb einer billionstel Sekunde in den Kerz stürzen. In Wahrheit sind Wasserstoffatome sehr stabil was eine Diskrepanz deutlich machte: ihre Lebensdauer wurde um vierzig (40) Größenordnungen unterschätzt. (Das Rutherford-Experiment hier zum nachlesen: https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau/versuche/rutherford-experiment)
1913
Niels Bohr (1885-1962), der an die Universität Manchester gekommen war um mit Rutherford zu arbeiten, formulierte eine Erklärung die Quanten benutzte.
Demnach dürfe der Banhndrehimpuls der Elektronen nur bestimmte Werte annehmen, wodurch den Elektronen nur bestimmte Bahnradien erlaubt seien.
„Die Elektronen können demnach nur Energie abstrahlen, indem sie aus einer solchen erlaubten Bahn zu einer niedrigeren springen und dabei ein einzelnes Photon abgeben.“
Auf der innersten Bahn ist dies nicht mehr möglich weshalb ein stabiles Atom gebildet wird. Seine Theorie erklärte auch die spezifischen Frequenzen, die von angeregten Atomen emittiert wird (Spektrallinien des Wasserstoffs).
Nach seiner Rückkehr schrieb Rutherford Bohr, er müsse seine Resultate veröffentlichen. Er lehnte aber ab mit der Begründung, dass man ihm nicht glauben würde bis er die Spektren aller Elemente erklären kann.
1923
In seiner Doktorarbeit schlug Louis de Broglie vor, dass sich Elektronen und andere Teilchen wie „stehende Wellen“ (i.e. Schwingung von Gitarrenseiten) mit quantisierten Frequenzen auftreten können. Titel seiner Dissertation: „Recherches sur la théorie des Quanta“, die Idee darin war so ungewöhnlich dass sich das Expertengremium Rat von außen holte (Albert Einstein), der ein positives Urteil gab.

Die „Foundation of Louis de Broglie“ (eine französische Stiftung die sich mit Forschung in der Physik beschäftigt) hat eine Englische Fassung davon Online gestellt, 81 Seiten:
https://fondationlouisdebroglie.org/LDB-oeuvres/De_Broglie_Kracklauer.pdf (PDF)
1925
Nach einem Seminarvortag ging Schröder auf die Frage von Peter Debye (1884-1966) ein, wo denn die Wellengleichung sei. Er machte sich an die Arbeit: „Die Idee von de Broglie, diskrete Energien eines Systems als stehende Wellen zu verstehen, entwickelte Erwin Schrödinger im Jahre 1926 zu einer mathematischen Theorie, der Wellenmechanik, in der er den Zustand des Elektrons durch Wellenfunktionen beschrieb.“ (Quelle: Uni Ulm, Schrödinger-Gleichung)
Fast zur selben Zeit arbeiteten auch andere Wissenschaftler, darunter W. Heisenberg, an dieser neuen Physik mittels Matrizen. „Binnen weniger Jahre hatten die Physiker unzählige Messungen erklärt, insbesondere die Spektren komplizierterer Atome und die Eigenschaften chemischer Reaktionen.“
1927
Die eigentliche Idee zur Kopenhagener Deutung kam von Max Born (1882–1970).
In den Jahren 1925/1926 begann bereits die Ausarbeitung in Göttingen, zusammen mit W. Heisenberg. Heisenberg hielt sich im Jahr 1927 in Kopenhagen auf wo er Borns Ansatz mir Bohr aufgriff. Daraufhin entwickelte er die Martizenmechanik die eine Alternative zu Schrödinger’s Wellenmachnik darstellt. Resultat des Kopenhagener Kreises, vor allem Heisenberg und Bohr, war die Grundlegung eines neuen physikalischen Weltbildes ohne Determinus und Kontinuität.

Spektrum der Wissenschaft erklärt die Kerndeutung so: „Das Entscheidende an der Kopenhagener Deutung ist die Beziehung zwischen Wellenfunktion und Messprozess: Gemäß Borns neuer Interpretation befindet sich das quantenmechanische Teilchen vor der Messung gleichzeitig an allen Orten, wo die Wellenfunktion nicht verschwindet! Erst im Moment der Messung ‚kollabiert‘ die Wellenfunktion und das Teilchen lokalisiert an einem bestimmten Ort. Die Quantenphysiker sagen: Vor der Messung ist ein Zustand eine kohärente Überlagerung aller möglichen Zustände, nach der Messung steht dann ein bestimmter der möglichen Zustände fest.“ (Lexikon der Astronomie, Kopenhagener Deutung)
Mitte-1950er
Hugh Evert III., der an der Universität Princeton studierte, untersuchte in seiner Dissertation das Kollaps-Postulat nochmals. Er trieb den Geltungsbereich des Quantenformalismus auf die Spitze indem er die Frage stellte: Was, wenn die zeitliche Entwicklung des gesamten Universums stets unitär ist?
Daraus wurde was wir als Vielwelten-Interpretation kennen, ursprünglich hieß es „Relativzustandsformulierung“. Nach dieser Theorie spaltet sich das Sein bei jedem Ereignis auf: „Jede mögliche Begebenheit wird in je einer eigenen Welt realisiert. Auch alle beteiligten Personen vervielfältigen sich dabei. Zwischen den Welten besteht keine Verbindung, sodass wir keinen Kontakt haben zu den unzähligen Kopien, die von uns existieren.“ (Geokompakt Nr. 69 2021, S. 145)

Seine Arbeit wurde zwei Jahrzehnte lang (20 Jahre) praktisch ignoriert. Viele Physiker hielten noch an dem klassischen fest, dass es noch eine tiefere Theorie geben müsse.
Diese Ansicht wurde jedoch durch einer Reihe neuer Experimente zunichte gemacht.
1970
Everts Arbeit lies aber eine Frage offen: „Wenn die Welt tatsächlich bizarre makroskopische Superpositionen enthält, warum nehmen wir sie nicht wahr?“
Eine Antwort lieferte die bahnbrechende Arbeit von H. Dieter Zeh (1932-2018), von der Universität Heidelberg. In dieser legte er den Effekt der als Dekohärenz bekannt ist dar, indem er zeige dass die Schrödinger-Gleichung selbst eine Art Zensur zur folge hat.
Wojciech H. Zurek (* 1951) vom Los Alamos National Laboratory in New Mexico arbeitete dies mit Zeh und anderen in den folgenden Jahrzehnten aus.

Nach der Dekohärenz bestehe eine kohärente Superposition nur so lange, wie der Rest der Welt von ihr nichts weiß. Dabei bedarf es nicht eines Menschen – allein ein Luftmolekül genügt, um dem Kollaps der Wellenfunktion herbeizuführen. Somit übernimmt die Umgebung die Rolle des Beobachters.
(Folgendes Dokument von H. Dieter Zeh habe ich gefunden, es ist auf Englisch und
8 Seiten lang: https://www.semanticscholar.org/paper/On-the-interpretation-of-measurement-in-quantum-Zeh/9f4895c908fd228e6998559a2e578298e0898c58)
1978
John Archibald Wheeler (1911-2008), Co-Autor des Artikels dieses Zeitstrahls, schlug ein Experiment „verzögerter Wahl“ vor. Zum Experiment: „Beim „Delayed-choice“-Experiment wird die Wahl, ob die Teilchen- oder die Welleneigenschaft bestimmt wird, verzögert bzw. sogar während des Experiments verändert. Dadurch zeigt sich ein und dasselbe Phänomen, wie beispielsweise Licht, in ein und demselben Experiment einmal als Teilchen und einmal als Welle. Es kann also tatsächlich beides sein, abhängig von Zeitpunkt und Art der Messung.“ (Österreichische Akademien der Wissenschaften, 10.03.2016)
1984
Wheeler’s Vorschlag des Experiments der verzögerten Wahl wird ausgeführt.
Wegen der fehlenden Technologie hat bis dahin gedauert: „„Erst durch die Entwicklung neuer quantenoptischer Techniken für die schnelle und präzise Messung von Licht, war es möglich, Wheelers Gedankenexperiment in die Tat umzusetzen“, sagt Xiao-song Ma, der Erstautor der Studie.“ Mehr dazu: Der „große, rauchende Drache“ Der Quantenphysik, Artikel von der Österreichischen Akademien der Wissenschaften.
Juli 1999
Tagung über Quantencomputer am Isaac-Newton-Institut in Cambridge.
In einer informellen Umfrage wurde ein Meinungsumschwung sichtbar:
In dieser Umfrage wurden 90 befragt.
33.4% wählten „Viele Welten oder konsistente Historien (ohne Kollaps)“
8.89% bekannten sich noch zur „Kollaps der Wellenfunktion“
55.56% enthielten sich bzw. wollten die Frage nicht beantworten.
Ohne Prozent ausgedrückt, von oben nach unten: 30 – 8 – 50

„Ein Grund für diese große Anzahl mag der grassierende terminologische Wirrwarr sein. Nicht selten sagen zwei Physiker beispielsweise, sie seien für die Kopenhagener Deutung, und stellen dann fest, dass sie nicht dasselbe darunter verstehen.“
1. April 2001
Ein Drittel des BIP der USA beruht auf Erfindungen, die durch die Quantenphysik möglich wurden. Darunter fallen Halbleiter im Computerchip, Laser im CD-Player (sowie jene die Stahlplatten schneiden und Operationen am Auge ermöglichen), Kernspintomographie im Krankenhaus, Atomuhren und vieles mehr.

Im Jahr 2012 wurde dann das Higgs-Boson entdeckt was schon lange vorhergesagt wurde.
Manche Forschende bezeichneten dies als den „Schlussstein im Gebäude der Teilchenphysik“, ein Jahr später erhielten die Forscher den Nobelpreis dafür.
Mehr dazu in dem Artikel vom Spektrum der Wissenschaft: https://www.spektrum.de/thema/das-higgs-boson/1313115

Die Entdeckung des Higgs-Boson gelang dank dem Large Hydron Collider (LHC) Am Cern in Genf. In den Überresten der Teilchenkollision fanden sie das „Gottesteilchen“ mit Hilfe von Datananalysen (der verlinkte Artikel zeigt übrigens auch eine Rundumschau des LHC!).

Zum Namen des „Gottesteilchen“, unter dem das Higgs-Boson bekannt wurde, noch die Sichtweise von Katie Mack – einer Wissenschaftlerin (Kosmologin): „A good way to make a particle physicist cringe is to refer to the Higgs boson by name the that made it famous: the God Particle. Our collective grumpiness around this lofty moniker isn’t fueled entirely by a discomfort with the mixing of science and religion (though for many that’s a big part of it). It’s also that „God Particle“ is just terribly imprecise, and sounds a bit presumptous, frankly. Which is not to say that the Higgs boson isn’t a deeply important part of the Standard Model of particle physics. It could even be argued that the Higgs is key to everything else fitting together. But it’s really the Higgs field, not the particle, that plays a central role in the workings of particle physics and the nature of the cosmos.“ (S. 133-134, „The End of Everything“ by Katie Mack)

Dies wäre es soweit mit der Geschichte, zumindest bis zum Jahr 2001 (miteinschließlich 2012 von einer Dritten) von den schon am Anfang erwähnten Quellen.

Was ist ein Photon?

Was zuerst wie eine einfache Frage klingt, vor allem diejenigen die sich schon seit längerem mit der Welt der Quanten beschäftigen, hat doch eine Änderung erfahren nach
Dr. Oliver Passon und Prof. Dr. Johannes Grebe-Ellis von der Universität Wuppertal.
In ihrer Publikation „Was ist ein Photon?“, veröffentlicht im Jahre 2015, gehen sie auf diese Frage ein.

Zuerst zitieren sie ein Lehrbuch wie man es in der gymnasialen Oberstufe vorfindet:
„Das Wort Photon legt eine klassische Teilchen-Vorstellung nahe, da es wie Elektron klingt. Doch will es nur sagen: Die Energieportion hf der Lichtwelle ist unteilbar wie ein Elektron. Fällt Licht auf Glas, so spaltet es sich nach Abb. 1 in einen reflektierten und einen durchgehenden Teil. Dabei wird nicht das einzelne Quant hf geteilt; die Frequenz f wird nicht kleiner. Vielmehr verteilt sich die Zahl der Photonen auf die beiden schwächeren Teile.“ (Dorn-Bader, S. 411)

Diese Darstellung lehne eng an Einstein’s Veröffentlichung aus dem Jahre 1905 in der er schrieb: „Nach der hier ins Auge zu fassenden Annahme ist bei Ausbreitung eines von einem Punkte ausgehenden Lichtstrahles die Energie nicht kontinuierlich auf größer und größer werdende Räume verteilt, sondern es besteht dieselbe aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können.“ (Annalen der Physik, S. 133)
Für diese revolutionäre These erhielt Albert Einstein den Physik Nobelpreis im Jahr 1922.
Der vorsichtige Titel seiner Arbeit „Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes
betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“ mache deutlich, dass er eine abschließende Erklärung zu diesem Zeitpunkt noch nicht erdenken konnte.

Die Aufnahme des Photon in den schulischen Quantenmechanik-Curriculum (Lehrplan) führe zu zahlreichen fachlichen Ungenauigkeiten und Fehlvorstellungen. Die Autoren heben die Verwechslungsgefahr mit dem Elektron hervor: „Im Besonderen besteht die Gefahr, dass Eigenschaften des Quantenobjekts „Elektron“ auf das „Photon“ übertragen werden. Dabei gilt jedoch: Photonen werden nicht durch die Schrödingergleichung beschrieben; Photonen haben keine Wellenfunktion; für Photonen gibt es keinen Ortsoperator (also keinen – auch nur unscharf – definierten „Ort“). Mit einer solchen Negativliste kommt man der Antwort auf die Frage „was Photonen sind“ zwar näher, aber erwünscht wäre sicherlich eine positive Charakterisierung.“ (S. 2)

Um diesen Teil nicht all zu lang zu gestalten gehe ich noch auf die Schlussbemerkung ein:

Für eine semi-klassische Näherung brauche es keine Photonen, um die Eigenschaften von fast allen Lichtquellen und die Wechselwirkung mit Materie zu erklären.
Einsteins Erklärung des Photoeffekts solle dieselbe Stellung wie Bohr’s Atommodel einnehmen: d.h. historisch bedeutsam aber nicht mehr aktuell.
Photonen werden durch eine Quantenfeldtheorie beschrieben. Im Unterschied zum Elektron ist die Eigenschaft „Anzahl“ auch bei den Photonen unscharf, weshalb die am Anfang gezeigte Abbildung falsch sei. Auch die Darstellung als Wellenpakete (Abbildung unten) sei ebenfalls falsch, da ein Konzept der nichtrelativistischen Quantenmechanik auf das relativistische Photon übertragen werde.
Die phänomenlogoische Optik sei eine Alternative zu den Lichtmodellen im traditionellen Optikunterricht.

Zum nachlesen: https://www.physikdidaktik.uni-wuppertal.de/fileadmin/physik/didaktik/Forschung/Publikationen/Passon/Passon_Grebe-Ellis_2015_Moment_mal_was_ist_eigentlich_ein_Photon.pdf (PDF)

Definition nach dem Lexikon der Physik (Spektrum der Wissenschaft)

Die Existenz des Photons wurde von Isaac Newton bereits angenommen, die Entdeckung der Interferenz- und Beugungsphänomene des Lichts schien dies aber nicht zu bestätigen.
Im Jahr 1900 führte die Aufstellung der Quantenhypothese von Max Planck zur Wiedereinführung des Photons durch Albert Einstein im Jahr 1905 (Photoeffekt).
1923 erfolgte der experimentelle Existenzbeweis durch Compton (Compton-Effekt) und später durch Joffe und Dobronrawow (Dualismus von Welle und Teilchen).

Der Compton-Effekt (Taschenbuch der Physik, 21. Auflage, S. 539)

Bei einem Stoß eines Photons gegen ein als ruhend betrachtetes Elektron überträgt das Photon einen Teil seiner Energie auf das Elektron. Diesem Energieverlust entspricht eine Abnahme der Frequenz bzw. eine Zunahme der Wellenlänge.

Das Photon gehört zu den Elementarteilchen und bildet eine Familie für sich. So entsprechen Photonen jeder elektromagnetischen Strahlung, z. B. in Form von Licht (Lichtquanten), Röntgenstrahlung (Röntgenquanten) oder Gammastrahlung (Gammaquanten) „der Energie E = hν und dem Impuls (Lichtquantenimpuls) p vom Betrag p = hν / c (h: Plancksches Wirkungsquantum, c: Lichtgeschwindigkeit, ν: Frequenz der Strahlung)“.
Die Richtung fällt mit der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung zusammen.

Zur Ruhemasse (Taschenbuch der Physik, 21. Auflage, S. 538)

Wegen der Quantelung* der Energie kann man jede Strahlung als einen Teilchenstrom ansehen. Die Teilchen nennt man Photonen. Sie sind nicht Teilchen im klassischen Sinne; denn sie besitzen keine Ruhemasse (d.h. Ruhemasse = 0).

*Aufteilung der bei physikalischen Vorgängen erscheinenden Energie und anderer atomarer Größen in bestimmte Stufen oder als Vielfaches von bestimmten Einheiten (Duden)

Genaueres darüber: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/photon/11211

Quantenphysik und Quantenmechanik

In diesem Teil ist nur eine nicht-mathematische Betrachtung möglich, da ich keine fachliche Expertise habe (d.h. ich habe weder einen Doktor noch Professor Titel, o. a.).

Quantenphysik

Es mussten einige Schritte zuvor gegangen werden, bevor die Quantenphysik auftauchte.
Hierbei spielte die Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR, heutzutage PTB) in Berlin eine zentrale Rolle. 1887 auf Hermann von Helmholtz (1821-1894) und Werner Siemens (1816-1892) Initiative gegründet, hatte sie die Aufgabe naturwissenschaftliche und technische Grundlagenforschung zu betreiben die anderswo nicht möglich war.
In ihrer Funktion war sie zu dieser Zeit weltweit einzigartig, da sich hier die Mitarbeiter der Forschung widmen konnten ohne weitere Aufgaben wie Lehre und Verwaltung zu übernehmen.

In der Elektrotechnik waren die elektrische Beleuchtung und die Telegraphie für die schnelle Entwicklung verantwortlich. Siemen’s Entdeckung des elektrodynamischen Prinzips im Jahr 1867 ermöglichte es erst der elektrischen Lampe sich durchzusetzen.
Jenen rasch ausbreitende künstliche Beleuchtung gab auch den Anlass, gleich nach der Gründung des PTR ein optisches Labor einzurichten.

Das PTR Hauptgebäude kurz nach seiner Vollendung
(Quelle: Wikipedia)

Max Planck’s Entdeckung des Wirkungsquantum im Jahr 1900 ging eine längere Entwicklung voraus, welche im Jahr 1862 mit Gustav Kirchhoffs (1824-1887) Begriff des „Schwarzen Körpers“ begann.

Der Schwarze Körper (auch: Schwarzer Strahler)

Eine ideale thermische Strahlenquelle die eine Grundlage für theoretische Betrach-tungen ist sowie als Referenzquelle für praktische Untersuchungen elektromagnetischer Strahlung dient.

Im Jahr 1884 lieferte Ludwig Boltzmann (1844-1906) die theoretische Begründung, nachdem 5 Jahre zuvor Josef Stefan (1835-1893) experimentell nachgewiesen hat, „dass die gesamte von einem Schwarzen Körper emittierte Leistung W proportional zur vierten Potenz seiner Temperatur ansteigt“ (Die Geburt der Quantenphysik, Essentials, S. 4).

Im Jahr 1893 formulierte Wilhelm Wien (1864-1928) sein berühmtes Verschiebungsgesetz für die Abhängigkeit der Strahlungsintensität eines Schwarzen Körpers von der Temperatur.
Ferdinand Kurlbaum (1857-1927), der 1891 in die PTR eintrat, arbeitete mit Otto Lumer (1860-1925) an einem hochempfindlichen Bolometer zum Strahlungsnachweis. Dessen Fertigstellung hat nicht weniger als 3 Jahre gebraucht, im Jahr 1898 erschien die Mitteilung über den elektrisch geglühten, absolut Schwarzen Körper der für eine lange Zeit als Grundlage für alle Messungen der Licht und Wärmestrahlung bei hohen Temperaturen diente. Mit Heinrich Rubens (1865-1922) arbeitete er zeitgleich in dessen Laboratorium an Messungen der Strahlungsintensität des Schwarzen Körpers. Jene Messungen der langen Wellen waren der finale Anstoß die zur Aufstellung der Planck’schen Strahlungsformel führte und damit zur Entstehung der Quantentheorie.

Albert Einstein erkannte wohl als Erster im Jahr 1905 die große Bedeutung von Planck’s Entdeckung. In seinem 5-teiligen Werk „annus mirabilis“ diskutierte er die Quantephysik und die „Plancksche Bestimmung der Elementarquanta“ (vgl. S. 15). Die Arbeit von ihm trug den Titel „Über einen Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichtspunkt„. 1921 erhielt er für die theoretische Erklärung des lichtelektrischen Effekts durch das Konzept des Lichtteilchens den Nobelpreis. Zwischen der Lichtquanten (1905) und der Entdeckung des Compton Effekts (1922) glaubten nur sehr wenige Theoretische Physiker an die Realität der Lichtquanten.
Im Jahr 1910, 3 Jahre nach Einsteins Arbeit zur spezifischen Wärme („Die Plancksche Theorie der Strahlung und die Theorie der spezifischen Wärme„), zitierte Walther Nernst (1864-1941) als Erster seine Arbeit. Zu diesem Zeitpunkt war Nernst davon überzeugt, dass die Quanten Physik mehr mehr als nur eine Rechenregel oder Interpolationsformel ist. Im selben Jahr besuchte er Albert Einstein im März in Zürich, einen späten Kommentar dazu vom damaligen Assistent an der ETH in Zürich – George de Hevesy: Dieser Besuch von Nernst „machte Einstein berühmt. Einstein kam [1909] als ein unbekannter Mann nach Zürich. Dann kam Nernst, und die Leute in Zürich sagten: Dieser Einstein muss ein kluger Bursche sein, wenn der große Nernst von so weit aus Berlin nach Zürich kommt, um mit ihm zu reden.“ (S. 17)
4 Jahre später zog Einstein von Zürich nach Berlin und wurde Mitglied der Akademie der Wissenschaften, dies geschah hauptsächlich auf Nernst’s Initiative.

Nernst erkannte damals schon, dass über die Quantenphysik auf höchstem Niveau diskutiert werden sollte. Mit dem belgischen Wissenschaftler und Geschäftsmann Ernest Solvay (1838-1922), der die Finanzierung übernahm, organisierte er den Ersten Solvay Kongress der vom 30. Oktober bis 3. November 1911 in Brüssel stattfand.
Somit trug Nernst einen wesentlichen Teil zur Akzeptanz der Quantenphysik bei, die in den darauf folgenden Jahren deutlich zunahm.

Quantenmechanik

Ausgangspunkt der modernen Quantenmechanik war 1925, als „Dreimännerarbeit“ bzw. Matrizenmechanik bekannt (Max Born, Werner Heisenberg und Pascual Jordan). In dieser Arbeit wurde auch die Vermutung ausgesprochen, dass die Quanten des Strahlungsfeldes Bosonen sind.

Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde erst die relativitistische Theorie der Materie-Licht Wechselwirkung im Rahmen der Quantenelektrodynamik aufgestellt. Anschaulich ist die Quantenmechanik leider nicht, auch wenn die Fragestellungen aus der sie entstanden sind ursprünglich auf dem Korrespondenzprinzip der alten Atommechanik von Niels Bohr (1885-1962) und Arnold Sommerfeld (1868-1951) beruht.

Neben Werner Heisenberg, Max Born und Pascual Jordan (1902-1980) gelten als Gründungsväter der modernen Quantenmechanik die Forscherpersönlichkeiten Paul Dirac (1902-1984), Erwin Schrödinger und Wolfgang Pauli (1900-1958).

Falls Sie mehr über die Quantenmechanik lernen wollen, vor allem der Mathematik, dann ist eventuell dieses }essentials{ von Martin Pieper hilfreich:

ISBN: 978-3-658-28328-5
ISBN (eBook): 978-3-658-28329-2
Verlag: Springer Spektrum
Seitenanzahl: 33

Um noch eine Vorwarnung auszusprechen, für all diejenigen die wie ich nicht das mathematische Talent besitzen, hier ein Teil aus dem Vorwort:
„Das essential richtet sich daher an eine interessierte Leserschaft mit einer gewissen Grundausbildung in der Mathematik, wie sie z. B. im Rahmen von natur- und ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen vermittelt wird.“
Als Einsicht dennoch interessant.

Schlusswort

Ich hoffe dass diese Annäherung hilfreich war. In unserer modernen Gesellschaft spielt die Welt der Quanten die Hauptrolle, ohne die Quantenmechanik würden wir nämlich technologisch noch in den 1920ern stecken. Umso wichtiger ist es, dass wir verstehen wann es begonnen hat und ein Bild von diesem Wissenschaftsfeld im Kopf haben.
Mich fasziniert die Quantenwelt schon seit längerem und es ist immer wieder interessant über neue Entwicklungen zu lernen. Inspiration für diesen Eintrag war der Artikel von Tobias Hürter.

Sources

Titel: Taschenbuch der Physik, 21. Auflage
Autor: Horst Kuchling
Verlag: Carl Hanser Verlag
Seitenanzahl: 715
ISBN: 978-3-446-44218-4
—
Titel: The End of Everything
Autor: Katie Mack
Verlag: Penguin Random House UK
Seitenanzahl: 228
ISBN: 978-0-141-98958-7
—
Titel: Die Geburt der Quantenphysik
Autor: Rudolf P. Huebener und Nils Schopohl
Verlag: Springer Spektrum
Seitenanzahl: 33
ISBN: 978-3-658-12451-9 (auch als eBook erhältlich)
—
Magazin Titel: Wie wirklich ist die Wirklichkeit?
Redaktion: Martin Scheufens und Klaus Bachmann
Text Verfasser: Tobias Hürter
Seitenanzahl (Text): 5 (S. 34-39)
Seitenanzahl (Gesamt): 146
ISBN: 978-3-652-01032-0
—

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Veröffentlicht von thomasbaroque

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