Was ist ein Photon?

Was ist ein Photon?

Obwohl uns Photonen wie Zwitter erscheinen, ist es weder eine Welle noch ein Korpuskel, sondern zeigt je nach der experimentell gestellten Frage eine entweder korpuskulare oder wellenhafte Eigenschaft. Eine einheitliche Beschreibung des zwitterhaften Photons ist bislang mathematisch nur in der Quantentheorie möglich. Aber eine bildhafte Erklärung liefert meine Anschauung des Photons als polarisierbarer Impuls in der Matrix, und das "Wellenbild" als Folge von mehreren Impulsen.

Der wellenhafte Aspekt erscheint uns als der natürlichere, weil er uns schon von der klassischen Elektrodynamik her vertraut ist. Er erklärt uns die vielen Interferenzphänomene bis zu räumlichen oder zeitlichen Intensitätskorrelationen im thermischen Strahlungsfeld, die durch Superposition der von verschiedenen Atomen unabhängig voneinander emittierten Elementarwellen zustande kommen. Interferenzmuster bleiben auch bei sehr kleinen Intensitäten sichtbar, was im Rahmen der klassischen Theorie erklärbar bleibt, wogegen die Quantenmechanik störende Nullpunktschwankungen voraussagt und in diesem Fall nicht Recht behält. Diese quantenmechanischen Störungen sind nicht einmal bei Interferenzversuchen mit Laserlicht nachweisbar.

Dass das Photon in einem kontinuierlichen Prozess als "Welle" ausgesandt wird, wie es von der klassischen Strahlungstheorie ja gefordert wird, zeigt die Tatsache, dass die natürliche Linienbreite der Strahlung mit der mittleren Lebensdauer des angeregten atomaren Niveaus in einem Zusammenhang steht. Man kann aber auch einzelne Photonen spektral zerlegen. Durch ein FABRY-PEROT-Interferometer mit hohem Auflösungsvermögen beispielsweise wird die einem Photon entsprechende Welle in eine durchgehende und eine reflektierte Partialwelle aufgespalten, mit dem Resultat komplementärer Frequenzbereiche, die sich zum ursprünglichen Spektrum ergänzen. Gleichzeitig verlängert sich der Wellenzug. Durch ein in einem Spiegel befindliches Loch tritt ein Photon in Gestalt einer Kugelwelle nur teilweise hindurch, während der andere Teil reflektiert wird.

Tatsächlich kann man mit Hilfe eines schnellen Verschlusses ein Stück einer kohärenten Welle ab- oder herausschneiden. Nach dem FOURIER-Theorem verbreitert sich damit das Frequenzspektrum des Photons; die spektrale Breite wird größer als die der ursprünglichen Welle. Für die Messung des Photons kommen praktisch photoelektronische Detektoren in Frage, was das Problem mit sich bringt, dass das Photon beim Messakt verloren geht. Dass man bei Einfall genau eines Photons auch bei Strahlteilung überhaupt etwas messen kann, ist bereits mit der klassischen Wellenvorstellung völlig unvereinbar, da diese Zerlegung in Partialwellen von einer entsprechenden Aufteilung der Energie begleitet sein müsste. Ein Detektor, der die volle Energie h*ny eines Photons zum Ansprechen benötigt, müsste aus Mangel aus Energie gar nichts anzeigen - aber tatsächlich taucht in einem der Teilstrahlen das Photon als energetisches Ganzes wieder auf!

An einem einzelnen Photon kann prinzipiell kein Frequenzspektrum gemessen werden, dazu braucht man natürlich eine häufige Wiederholung des Experiments im Sinne einer Aufeinanderfolge mehrerer Photonen. Die Welleneigenschaft zeigt sich daher am einzelnen Photon nicht.

Der korpuskulare Charakter des Photons tritt bereits bei der spontanen Emission zutage: Ein nahe genug an ein angeregtes Atom heran gebrachter Detektor spricht in manchen Fällen auch schon zu einer Zeit an, die klein im Vergleich zur Lebensdauer des oberen atomaren Anregungsniveaus ist. Demnach kann also die volle Energie hv eines Photons schon prinzipiell verfügbar sein, wenn die Ausstrahlung - im Sinne der Emission einer Welle - gerade erst begonnen hat. Die "Wellen"-Anschauung ist daher nicht korrekt, da die Energie nicht über einen Wellenzug verteilt, sondern komplett im Einzel-Impuls enthalten ist. Absorptionsprozesse finden schon in so kurzer Zeit statt, dass das Atom unmöglich die erforderliche Energie aus dem Feld einer Welle "aufsammeln" könnte, wenn sie dort nach klassischer Vorstellung kontinuierlich verteilt wäre. Es muss daher die Energie bereits "gebündelt" im Impuls vorliegen.

Die Vorstellung des Photons als kompaktes Teilchen ist überhaupt unzutreffend, denn für die Beschreibung von Ausbreitungsvorgängen eignet sich nur das Wellenbild. Photonen besitzen keinerlei Individualität: Es ist daher nicht möglich, den "Lebensweg" eines Photons bis zu seinem Entstehungsort auch nur in Gedanken zurückzuverfolgen. Wäre das möglich, könnte es keinerlei räumliche oder zeitliche Korrelationen zwischen den von zwei verschiedenen Detektoren angezeigten Ereignissen geben, in welchen der Wellencharakter der Strahlung dadurch zur Geltung kommt, dass die (momentane) Intensität des Lichts die Wahrscheinlichkeit dafür bestimmt, welcher ein an dem betreffenden Ort befindlicher Detektor anspricht.

Photonen sind energetisch unteilbar; elektromagnetische Energie lässt sich demzufolge nicht beliebig "verdünnen" - entweder findet man ein Photon oder keines, und es wird nur die Wahrscheinlichkeit für den Empfang eines Photons immer kleiner, je mehr sich der Querschnitt eines Lichtbündels im Verlauf der Ausbreitung vergrößert.
Die Zeitpunkte der Emission oder Absorption eines Photons sind nicht vorhersehbar. Das entscheidet der Zufall.
Wird bei nicht zu großer Intensität der einfallenden Welle nur ein Bruchteil der vorhandenen Atome angeregt, wird die Frage, welches Atom ein Photon "abbekommt" und welches leer ausgeht, ebenfalls zufällig entschieden. Ebenso bleibt es bei der Strahlteilung eines einzigen Photons dem Zufall überlassen, welcher der beiden Detektoren etwas messen wird.

Die Impulsform eines Lichtquants in meiner T.A.O.-Matrix These ermöglicht durch den Charakter eines "Wellenabschnitts" die korpuskulare Erscheinungsform, während der polarisationsfähige Spin des "Wirbels" für die Wellenphänomene verantwortlich ist. Die Zufälligkeiten dieses Impulsgeschehens sind der klassischen Mechanik und der Elektrodynamik wesensfremd und werden nur noch quantenmechanisch erfassbar. Die komplementären Frequenzbereiche bei der Impulsteilung als "Interferenz des Photons mit sich selbst" können sich im makroskopischen Bereich über eine räumliche Trennung prinzipiell grenzenlos erstrecken - man spricht in diesem Fall von Verschränkung der Quanten - aber diese Verschmierung des Wellenzuges über große Distanzen ist eigentlich nichts Ungewöhnliches, wenn man daran denkt, dass das in einem Wasserstoffatom gebundene Elektron als Elektronenwelle über einen Raumbereich von der Dimension 10^-10 m "verschmiert" (d.h. praktisch überall "zugleich") ist, was in diesem mikroskopischen Bereich eine geradezu gigantische Distanz darstellt. Spezifisch quantenmechanische Korrelationen können sich daher auch über makroskopische Dimensionen erstrecken. Es ist daher nicht überraschend, dass das berühmte Gedankenexperiment von EINSTEIN, PODOLSKY und ROSEN daher tatsächlich verwirklicht werden konnte.

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