Wenn wir Licht als eine Ansammlung kleiner Teilchen betrachten, können wir sagen, dass die Photonen von schwächerem Licht stärker gestreut sind.
Aber wenn wir Licht als Welle betrachten, dann gibt es keine Lücken, es sei denn, sie werden absichtlich dort platziert.
Wie kann man also die Lückenbildung zwischen den Photonen interpretieren?
Die Auflösung, so wie sie ist, liegt in den Ideen der Wellenfunktion eines Teilchens und der Wahrscheinlichkeitsnatur der Messung.
Man kann sich vorstellen, dass jedes Photon eine Wellenfunktion hat, die sich von der Lichtquelle nach außen ausbreitet. Wenn sich diese Wellenfunktion ausdehnt, nimmt ihre Amplitude ab, genau wie bei einer klassischen Welle.
Die Gesetze der Quantenmechanik besagen jedoch, dass diese Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeit bestimmt, das Photon an einem bestimmten Ort zu entdecken. Insbesondere ist die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen in der Nähe eines beliebigen Punktes zu messen, proportional zum Quadrat der Größe der Wellenfunktion an diesem Punkt. Dies bedeutet, dass wir ein Photon viel weniger wahrscheinlich innerhalb von (sagen wir) 1 mm von einem Punkt 100 Lichtjahre von der Quelle entfernt entdecken, als dass wir es innerhalb von 1 mm von einem Punkt 1 Lichtjahr von der Quelle entfernt entdecken. Wenn wir jedoch eine große Anzahl von Photonen entdecken, die alle auf die gleiche Weise von der Quelle emittiert werden, werden sie statistisch gesehen gleichmäßig über die Kugel verteilt sein. Somit wird die Menge an Lichtenergie gleichmäßig über die Kugel verteilt, so wie wir es klassisch erwarten würden.
Ein Photon hat typischerweise eine definierbare (wenn auch nicht leicht messbare) räumliche Ausdehnung. Siehe zum Beispiel Single Photon Hologram , das einen Weg beschreibt, wie die räumliche (und zeitliche) Ausdehnung gemessen werden kann – solange wir Zugang zu vielen identischen Photonen haben. Da die Lichtgeschwindigkeit für alle Frequenzen/Wellenlängen gleich ist, kann sich ein im Vakuum ausbreitendes Photon nicht in seiner Ausbreitungsrichtung ausbreiten. Es breitet sich aber durchaus in Richtungen senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung aus. Um zu wissen, ob sich Photonen einer Quelle zu Beginn überlappen können, sich aber in einiger Entfernung nicht mehr überlappen, wäre es notwendig, die Details der Quelle und ihrer Größe zu kennen.
Hinweis: "Überlappung" ist in diesem Zusammenhang ein unscharfer Begriff. Wenn eine Konturfläche um das Photon gezogen werden könnte, so dass die Fläche ein Volumen umschließt, das beispielsweise 99,99 % der Anwesenheitswahrscheinlichkeit des Photons enthält, dann könnten wir uns beispielsweise darauf einigen, so zu tun, als ob der Teil der Wellenfunktion außerhalb des Volumens nicht existiert. und stimmen zu, dass sich die Photonen in einigen Fällen nicht überlappen. Allerdings hat die Wellenfunktion eines freien Photons überall einen zumindest extrem kleinen, aber endlichen Wert, so dass sich im absoluten Sinne alle Photonen der Quelle überlappen werden (obwohl dies wahrscheinlich kein Experiment beweisen kann).
Wenn die Lichtintensität schwächer wird, wird der statistische Charakter des Lichts deutlich. Die klassischen Felder beschreiben die durchschnittliche Intensität, aber bei niedriger Intensität werden Sie zunehmend Intensitätsschwankungen um diesen Durchschnitt sehen. Dieses Phänomen wird als Photonenschussrauschen bezeichnet . Wenn Ihr Detektor beispielsweise während seiner Integrationszeit eine Intensität erfasst, die 10.000 Photonen entspricht, folgt die Intensität einer Gaußschen Verteilung mit einer Standardabweichung von 100 oder 1 %. Bei noch geringeren Photonenzahlen gilt die Poisson-Statistik. Dies gilt für eine inkohärente Quelle wie den von Ihnen erwähnten Stern oder eine klassische Glühbirne. Man könnte sagen, dass es zwischen den einzelnen Photonen-Detektionen Lücken gibt, die eine zufällige Längenvariation aufweisen.
Benutzer4552
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