Entsteht die Quantennatur des Lichts aus seiner Wechselwirkung mit Materie? [geschlossen]

Wenn wir eine korrekte Behandlung des elektromagnetischen Feldes wollen, müssen wir eine korrekte Behandlung von Effekten wie der Lamb-Verschiebung, dem gyromagnetischen Verhältnis des Elektrons und solchen Dingen einbeziehen. Aus Ihrer Frage nehme ich an, dass Sie damit nicht sehr vertraut sind. Es sind Effekte, die sehr genau von der Quantenfeldtheorie namens Quantenelektrodynamik behandelt werden, in der Licht weder Welle noch Teilchen, sondern Quantenfeld ist.

Um Ihre Frage zu beantworten, es ist wahr, dass viele der physikalischen Effekte, die im Zusammenhang mit Photonen erwähnt werden, die Art und Weise betreffen, wie Licht mit Materie interagiert, und wenn die Materie diskrete Energieniveaus hat, dann könnten Sie das Gefühl haben, dass nur die Diskretion liegt Dort. Aber Sie sollten zum Beispiel auch den Compton-Effekt berücksichtigen, bei dem Licht an Elektronen im freien Raum gestreut wird. Hier gibt es keine Diskretion in den Zuständen des Elektrons, aber es ist schwierig, die Ergebnisse mit Streuwellen zu erklären, während die Ergebnisse leicht mit einem Teilchenmodell erklärt werden können. Das vollkommen zutreffende Modell ist, wie ich bereits sagte, die Quantenfeldtheorie, in der Licht weder Teilchen noch Welle ist. Und um die Lamb-Verschiebung, den Casimir-Effekt, die elektroschwache Theorie zu verstehen,

Tatsächlich besteht eine Möglichkeit, "das Nicht-Visualisierbare zu visualisieren", darin, sich Licht im Flug als aus Photonen bestehend vorzustellen, die, wenn sie aufgefordert werden, mit geladener Materie zu interagieren, unter bestimmten Umständen wellenartige Eigenschaften aufweisen (z. B. Doppelspaltbeugung). und behalten dennoch ihre photonenähnlichen Eigenschaften unter anderen Umständen (photoelektrische Effekte).

Und wie Anna V. betonte, zeigt eine genauere Untersuchung nur des Doppelspalt-Einzelphotonen-Beugungsexperiments, dass sich dasselbe Objekt (das Photon/die Welle) zu einem bestimmten Zeitpunkt wie ein Photon und zu einem anderen Zeitpunkt wie eine Welle verhält Zeit (siehe ihre verlinkte Referenz unten).

Ich weiß nicht, ob dieses Bild des Unerkennbaren vollständig mit der Maxwellschen Elektrodynamik in Einklang gebracht werden kann, aber nur so kann ich mein Gehirn mit der Teilchen-Wellen-Dualität vertraut machen.

Würde es uns trotzdem gelingen, die Photonennatur des Lichts zu erkennen, wenn wir Licht ohne Materie erzeugen und Licht ohne Materie detektieren, also keine Wechselwirkung mit Materie haben?

$c$ist die Geschwindigkeit, mit der „anderswo und in der Zukunft“ zu „hier und jetzt“ und dann zu „anderswo und in der Vergangenheit“ wird. Ausgehendes Licht (und andere masselose Dinge) gehen unwiederbringlich von "hier und jetzt" an einen anderen Ort in der Zukunft, während einfallendes Licht ausschließlich von irgendwo in der Vergangenheit hierher kommt.

Wenn wir kein massives verwenden (das heißt:$v<c$) Detektor Irgendwann im Prozess ist die Wechselwirkung zwischen unserem Detektor und unserem Photon immer woanders und in der Zukunft unseres Beobachters. Es wird nie beobachtet.

Ebenso, wenn wir an irgendeinem Punkt des Prozesses keine massive Quelle verwenden, ist unsere Quelle immer woanders und in unserer Vergangenheit, also muss unser Experiment unendlich weit entfernt und unendlich lange zurückliegen.

Wir können die Materie hinter einige Abstraktionsschichten wie "Spannung" und "magnetisches Moment" schieben und glauben machen, dass sie nicht aus einer großen Anzahl massiver Teilchen besteht, die miteinander und dem Raum um sie herum interagieren, aber das ist ein logischer Fehler.

Wir können Mikrowellen mit einem Magnetron erzeugen und das System mit großer Vorhersagekraft modellieren, indem wir vorgeben, dass das Magnetron ein einzelner magnetischer Dipol ist, nicht unzählige Atome mit jeweils einem magnetischen Moment – ​​aber wir wissen, dass letzteres eine bessere Beschreibung der Realität ist.

Wir können ein Interferenzmuster messen und so tun, als hätten wir die Welle gemessen, nicht die Wirkung der Welle auf einen Sensor, mit großer beschreibender Wirkung. Aber wir wissen, dass letzteres wirklich passiert ist.

Anfang des 20. Jahrhunderts gab es zwei Revolutionen in der Physik. Die erste, angeführt von Einstein und anderen, revolutionierte unser Verständnis von Raum und Zeit. Die zweite, die Quantenrevolution, veränderte unser Verständnis davon, wie die Dinge sind – das ist die Ontologie. Vor dieser Revolution wurden Dinge hauptsächlich entweder als Teilchen im Raum oder als Wellen in einem Medium verstanden. Danach wurden sie als Quantenfelder verstanden, die der Raumzeit überlagert sind und deren Anregungen die Quanten waren.

Entsteht die Quantennatur des Lichts aus seinen Wechselwirkungen mit Materie?

Da Licht in einem Vakuum existieren kann (denken Sie an Licht, das von der Sonne ausgeht), ist es schwierig zu erkennen, wie die Quantennatur des Lichts aufgrund seiner Wechselwirkungen mit Materie entsteht.

Die Prämisse der Frage ist falsch, da es keinen Widerspruch zwischen der Maxwellschen Theorie und der Quantisierung des Lichts gibt.

Das quantisierte EM-Feld stimmt mit den Maxwell-Gleichungen überein.
Die Quantisierung des elektromagnetischen Felds führt zu einer Nichtkommutativität zwischen verschiedenen Teilen des Felds. Mathematisch wird dies erreicht, indem die Amplituden des Feldes transformiert werden, wenn das Feld hinsichtlich seiner Eigenmoden entwickelt wird. Diese Eigenmoden sind die Lösungen von Maxwell-Gleichungen. Mit anderen Worten, das quantisierte EM-Feld erfüllt automatisch die Maxwell-Gleichungen.

Kohärente Zustände
Eine weitere Verbindung stellt das Ehrenfest-Theorem dar , das für die quantisierten EM-Felder die Form der Maxwell-Gleichungen annimmt. Insbesondere das quantisierte EM-Feld kommt den wellenartigen Eigenschaften des klassischen EM-Felds nahe, wenn es sich in einem kohärenten Zustand befindet .

Welle-Teilchen-Dualität
Schließlich ist es falsch, sich ein Photon als ein punktförmiges Teilchen ähnlich einem Elektron vorzustellen – es ist vielmehr ein Anregungsquant des EM-Felds. Quantisierung macht Photonen nicht zu Teilchen oder Elektronen zu Wellen - vielmehr bedeutet es, dass beide wellenartige und teilchenartige Eigenschaften aufweisen - das nennen wir Welle-Teilchen-Dualität siehe hier und hier )