Existieren Photonen wirklich im physikalischen Sinne oder sind sie nur ein nützliches Konzept wie i=−1−−−√i=−1i = \sqrt{-1}? [abgeschlossen]

Es gibt viele experimentelle Beweise dafür, dass das elektromagnetische Feld Energie mit Atomen in diskreten Brocken austauscht, und wenn wir diese Brocken Photonen nennen, dann existieren Photonen. Das ist alles sehr schön, aber ich vermute, dass Sie wirklich daran interessiert sind zu wissen, ob das Photon als kleine Lichtkugel existiert, die durch den Weltraum rast$c$, und wenn ja, nun, das ist eine komplizierte Frage.

Tatsächlich sind alle Partikel schwerer fassbar, als Sie vielleicht denken. Viele von uns haben ihre Reise in die Quantenmechanik mit der Wellengleichung eines freien Teilchens begonnen und waren überrascht, dass die Lösung eine ebene Welle war, die überhaupt nicht wie ein Teilchen aussah. Dann sagt uns der Lehrer, dass wir ein Wellenpaket bauen können, um ein Teilchen zu machen, aber das ist nicht so überzeugend. Ein Teilchen durch Konstruktion eines Wellenpakets zu erzeugen, scheint für Objekte, die fundamental sein sollen, schrecklich willkürlich zu sein.

Tatsächlich sagt uns die nicht-relativistische Quantenmechanik nichts darüber, warum Teilchen existieren und woher sie kommen. Erst wenn wir zur Quantenfeldtheorie kommen , bekommen wir einen Grund, warum Teilchen existieren, und eine Erklärung für ihre Eigenschaften, aber selbst dann erweisen sich Teilchen als seltsamere Dinge, als wir dachten.

Wenn Sie QFT lernen, beginnen Sie traditionell damit, ein skalares freies Feld zu quantisieren. Wenn wir dies tun, stellen wir fest, dass die Feldzustände Fock-Zustände sind , und wir interpretieren diese Zustände als eine wohldefinierte Anzahl von Teilchen enthaltend. Einwirken auf den Vakuumzustand mit einem Erstellungsoperatorfügt einem Zustand ein Teilchen hinzu, und ebenso entfernt das Einwirken auf einen Zustand mit dem Vernichtungsoperator ein Teilchen. All dies mag etwas abstrakt klingen, aber es gibt uns tatsächlich eine konkrete Beschreibung dessen, was Teilchen sind. Die Teilcheneigenschaften wie Masse, Spin, Ladung usw. sind Eigenschaften des Quantenfelds, und alle Teilchen sind identisch, weil sie alle durch dasselbe Feld beschrieben werden. Die Theorie sagt uns also sofort, warum zB alle Elektronen identisch sind, und sie beschreibt, wie Teilchen in Collidern wie dem LHC erzeugt und zerstört werden können. Derzeit ist die Quantenfeldtheorie die definitive Theorie zur Beschreibung dessen, was Teilchen sind und wie sie sich verhalten.

Aber diese Feldmoden, die Partikel darstellen, sehen schrecklich aus wie die ebenen Wellen, mit denen wir begannen, als wir zum ersten Mal QM lernten. Die von QFT beschriebenen Partikel ähneln also noch nicht wirklich Partikeln im intuitiven Sinne eines kleinen Balls. Und es kommt noch schlimmer. Fock-Zustände existieren nur für das freie Feld, dh ein Feld, in dem Teilchen nicht miteinander wechselwirken. Und das ist offensichtlich ein nutzloses Modell für Teilchen wie Elektronen und Photonen, die stark wechselwirken. In einer Wechselwirkungstheorie sind die Feldzustände keine Fock-Zustände, und sie sind nicht einmal Überlagerungen von Fock-Zuständen. Tatsächlich wissen wir derzeit noch nicht, was die Zustände eines wechselwirkenden Feldes sind. Das Beste, was wir tun können, ist, ihre Eigenschaften mit einem störungsbasierten Ansatz oder einer Gitternäherung zu berechnen .

Aber zurück zu den Photonen. Wir quantisieren das elektromagnetische Feld nicht, weil es nicht offensichtlich Lorentz-kovariant ist, also konstruieren wir stattdessen ein Feld namens elektromagnetisches Vierpotential und quantisieren es. Und jetzt haben wir eine Definition des Photons in Bezug auf die Zustände dieses Felds. Solange wir es mit Situationen zu tun haben, in denen Wechselwirkungen ignoriert werden können, haben wir eine schöne, saubere Definition eines Photons. Und wir können die Erzeugung von Photonen beschreiben, indem wir Energie zu den durch das Quantenfeld beschriebenen Moden hinzufügen, und die Vernichtung von Photonen kann Energie aus den Moden nehmen und sie zB einem Wasserstoffatom hinzufügen. In diesem Sinne sind Photonen reale Dinge, die definitiv existieren.

Aber dieses Photon sieht nicht aus wie eine kleine Lichtkugel. Tatsächlich sieht es überhaupt nicht wie ein Lichtstrahl aus. Das Konstruieren eines Lichtstrahls beinhaltet das Aufnehmen eines kohärenten Zustands von Photonen auf eine Weise, von der ich gestehe, dass ich sie nicht verstehe, aber ich weiß, dass sie kompliziert ist. Dies ist die Domäne der Quantenoptik , und ich wünsche Ihnen viele glückliche Stunden beim Versuch, sie zu lernen.

Dies ist der Punkt, der in dem Papier von WE Lamb angesprochen wurde, das ich in einem Kommentar erwähnt habe. Es gibt eine lange und unwürdige Geschichte von Menschen, die sich vorstellten, dass Lichtstrahlen nur Hagel von Photonen seien, und als Ergebnis verwirrt wurden. Das einzige Mal, dass wir wirklich sehen, dass sich Licht wie ein Photon verhält, ist, wenn es Energie mit etwas austauscht. Wenn also ein angeregtes Wasserstoffatom zerfällt, wird ein Photon emittiert. Ebenso kann ein Photon von einem Atom absorbiert werden und dieses anregen. Da sich das Licht zum oder vom Atom ausbreitet, ist es selten sinnvoll, es in Form von Photonen zu beschreiben.

Ich habe das Gefühl, dass ich eine ganze Weile weiter und weiter gegangen bin, ohne Ihre Frage wirklich zu beantworten, aber das liegt daran, dass Ihre Frage nicht wirklich eine Antwort hat. QFT, insbesondere Quantenelektrodynamik , gibt uns eine sehr, sehr genaue Beschreibung dessen, was Photonen sind, und ich vermute, die meisten von uns würden sagen, dass Photonen natürlich wirklich existieren. Sie sind einfach nicht die einfachen Objekte, an die die meisten Leute denken.

Wie Sie den Antworten entnehmen können, die von „Ja“ bis „Nein“ reichen, berührt Ihre Frage ein sehr heikles Thema für diejenigen, die der Wissenschaft folgen. Die Antwort wird sich schnell auf frustrierend formulierte Fragen wie „Was ist real“ reduzieren, denn was Sie fragen, ist ausreichend schwierig.

In der Welt der Philosophie wird Wissenschaft als Teil des „Empirismus“ kategorisiert. Empirismus ist die Philosophie dessen, was wir mit unseren Sinnen wissen können (auch bekannt als "empirische Beobachtungen"). Empirismus ist eine Teildisziplin der Erkenntnistheorie, der Lehre dessen, was wir wissen können. Epistemologie ist getrennt von der Ontologie, dem Studium dessen, was „wirklich“ ist, sodass die Wissenschaft aus philosophischer Sicht keine Aussagen darüber macht, was wirklich ist und was nicht.

Wenn Sie sich die Beweise für das „Photon“ ansehen, werden Ihnen eine große Menge empirischer Beobachtungen von Wissenschaftlern geboten. In jedem Fall stellen wir fest, dass, wenn wir die Welt so modellieren, als ob Photonen existieren, die Ergebnisse des Experiments mit den Vorhersagen dieses Modells übereinstimmen. Es sagt nicht, dass Photonen existieren, und es sagt nicht, dass sie nicht existieren. Es besagt lediglich, dass ein Modell, das erklärt, dass Photonen existieren, die Ergebnisse früherer Experimente effektiv vorhersagen kann.

Wenn Sie glauben, dass vergangene Ergebnisse die zukünftige Performance vorhersagen, spielen Sie nicht an der Börse, aber die Wissenschaft hat gezeigt, dass ihre Modelle eine erstaunlich gute Erfolgsbilanz bei der Vorhersage von Ergebnissen haben. Ich würde argumentieren, dass seine Ergebnisse weitaus besser sind als bei jedem anderen System da draußen, obwohl wir uns erst hinsetzen und uns auf eine Metrik für den Vergleich von Systemen einigen müssten, um eine solche Behauptung aufzustellen. Wenn Sie vorhersagen müssen, was in einem System passieren wird, erhalten Sie höchstwahrscheinlich eine solide Antwort, indem Sie das System so modellieren, dass Photonen einbezogen werden. Die Wissenschaft schätzt sich selbst für ihre Fähigkeit, Vorhersagen zu treffen, die kein anderes System treffen kann, und diese Vorhersagen zu erfüllen.

Die Wissenschaft war dabei so effektiv, dass wir anfangen, mit unserer Terminologie faul zu werden. Wir fangen an zu sagen „Photonen existieren“ oder „Photonen sind real“. Auf philosophischer Ebene wird dies als Entführung bezeichnet. Abduktion gehört zur selben Kategorie wie Deduktion und Induktion; es geht davon aus, dass die wahrscheinlichste Hypothese wahr ist. Wir gehen davon aus, dass Photonen ohne bessere Hypothese einfach existieren müssen. Dies ist nicht Teil der wissenschaftlichen Methode; es ist keine empirische Behauptung. Die Modelle sind jedoch so verdammt gut darin, die Zukunft vorherzusagen, dass der längere Satz „das Universum ist gut modelliert mit der Annahme, dass Photonen real sind“ den zusätzlichen Atemzug nicht wert ist.

Leider kann uns dieser abduktive Schritt in Schwierigkeiten bringen . Sie haben erwähnt, dass Photonen als "Wahrscheinlichkeitswolken" bezeichnet werden. Das liegt daran, dass wir, als wir immer tiefer in das Universum spähten, bemerkten, dass die Modellierung von Dingen als Photonen aufhörte, vollständig zu beschreiben, was wir sahen. Seltsame Experimente wie das Double-Sit-Experiment deuteten allmählich darauf hin, dass wir Licht nicht einfach als Bündel einzelner Photonen modellieren können. Experimente wie dieses wurden absichtlich entwickelt , um auf Grenzfälle zu stoßen, in denen die alten Modelle einfach zusammenbrachen. Wir haben sie dann durch neue Modelle ersetzt, die Ergebnisse viel besser vorhersagen können.

Natürlich müssen diese neuen Modelle mit all den alten empirischen Beweisen übereinstimmen, die gesammelt wurden, bevor dieses neue Modell gebildet wurde. Wenn wir uns von den schwierigen Eckfällen entfernen, die das Doppelspaltexperiment vorschlägt, stellen wir fest, dass es eine starke Verbindung zwischen einigen der Wahrscheinlichkeitsverteilungen gab, die sich aus den quantenmechanischen Wellenfunktionen ergaben, und den "Photonen", die in angenommen wurden altes Modell.

Das ist für mich einer der brillantesten Aspekte der Wissenschaft. Indem wir diese Verbindungen zwischen den Modellen herstellen, können wir sagen: „Solange Sie sich von diesen speziellen Eckfällen fernhalten, können Sie mit dem Modellieren von Licht als Photonen davonkommen, da die Fehler, die Sie auffangen, gering sind.“ Denken Sie darüber nach, wie erstaunlich das ist. Wir sind mit unseren Modellen vertraut genug, um zu sagen: "Auch wenn Sie nicht das fortschrittlichste Modell verwenden, das die Wissenschaft zu bieten hat, können wir es dennoch sicher verwenden und die Fehler begrenzen."

Unabhängig davon gibt es in der Quantenmechanik auf ihrer tiefsten Ebene keine "Photonen". Es gibt Wellenformen, die durch Raum und Zeit kontinuierlich sind. In vielen, vielen Fällen ist das Verhalten dieser Wellenformen jedoch diskret genug, dass wir einen Teil der Wellenform erfassen und sagen können, „dieser Teil ist ein Photon“. Aber es ist wirklich unsere Entscheidung, es ein Photon zu nennen. Empirisch gesehen ist es eine gute Entscheidung. In weit über 99 % der Fälle ist es eine gute Entscheidung, Vorhersagen zu treffen, und genau das wollen wir von der Wissenschaft.

Gibt es also Photonen? Niemand weiß. Unsere besten Modelle der subatomaren Welt, die der Quantenmechanik, zeigen alle ein Verhalten, das genau dort ist, wo Photonen sein sollten. Wir haben keinen besonderen Grund anzunehmen, dass sie nicht existieren. Ob Ihnen das reicht, ist wirklich eine Frage der persönlichen Präferenz und Philosophie.

Alle Experimente brauchen einen theoretischen Rahmen, innerhalb dessen sie interpretiert werden. Rohdaten allein sagen nichts aus.

Photonen (und andere Teilchen) sind Teil eines äußerst nützlichen Rahmens zum Verständnis vieler verschiedener Phänomene, von esoterischen Hochenergie-Collider-Experimenten bis hin zu Dingen, die wir jeden Tag erleben, wie das Schwarzkörperspektrum. Also benutze ich diese Sprache, um eine breite Klasse von Experimenten zu verstehen und zu interpretieren.

Gleichzeitig können wir jedoch niemals sagen, dass unsere derzeitige Theorie definitiv die richtige Sichtweise der Dinge ist. Es besteht immer die Möglichkeit, dass zukünftige Experimente oder Erkenntnisse uns zu dem Verständnis führen, dass unsere aktuelle Theorie einfach eine Annäherung an eine andere Theorie ist oder dass sie eine von mehreren äquivalenten Darstellungen für dieselbe Physik ist.

Wenn morgen jemand käme und eine alternative Betrachtungsweise vorschlagen würde, in der Photonen nicht explizit vorkommen, die aber alle beobachteten Phänomene hinreichend erklärt, hätte ich nichts dagegen, diese Sprache zu verwenden. (Bis zu einem gewissen Grad könnte ich sagen, dass Ihnen die Quantenfeldtheorie dies ermöglicht, indem Sie Streuquerschnitte als eine bestimmte Projektion von n-Punkt-Korrelationsfunktionen eines Quantenfelds interpretieren). Ja, ich könnte sogar überzeugt werden, die neue Theorie zu bevorzugen, wenn die neue Theorie neue Phänomene erklären könnte, die die alte Theorie nicht erklären konnte.

Diese neue Theorie müsste jedoch noch viele der Beobachtungen berücksichtigen, die wir mit der Existenz von Photonen in Verbindung bringen – wie zum Beispiel das Klicken in einer Photomultiplier-Röhre. Es könnte durchaus sein, dass die neue Theorie diese Phänomene weniger intuitiv erklärt. Dann würde ich immer noch lieber Photonen als eine nützliche Annäherung betrachten – sie erfassen genug von dem, was vor sich geht, dass ich sagen würde, dass sie eine gute Beschreibung in einem angemessenen Rahmen darstellen, selbst wenn sie keine grundlegenden Objekte in der neuen Theorie sind.

Gibt es also Photonen? Es ist schwer, nein zu sagen, da sie eine so elegante Erklärung für so viele beobachtete Fakten liefern. Aber ich kann nicht eindeutig ja sagen, da es immer möglich ist, dieselben Daten auf andere Weise zu erklären, und es möglich ist, dass einige dieser anderen Theorien zu einem tieferen Verständnis der Physik führen.

PS - dies ist ein Nebenkommentar, aber ich akzeptiere die Prämisse nicht$i$existiert nicht (für welche Definition von "existieren" Sie auch immer für mathematische Objekte verwenden) ... wenn Sie die Existenz irrationaler Zahlen akzeptieren, dann$i$ist wirklich kein Fremder.

Existieren Photonen wirklich im physikalischen Sinne oder sind sie nur ein nützliches Konzept wie i = sqrt(-1)

Sie existieren wirklich im physischen Sinne.

Wenn ich über Photonen lese, höre ich verschiedene Erklärungen wie "Elementarteilchen", "Wahrscheinlichkeitswolke", "Energiequanten" und so weiter.

Ich bin mir sicher, dass jeder den Begriff „Elementarteilchen“ kennt und dass viele Leute cool über „Energiequanten“ sein werden, aber ich selbst habe noch nie gehört, dass jemand ein Photon als „Wahrscheinlichkeitswolke“ bezeichnet hat. Können Sie mir dafür eine Referenz nennen?

Da hat wohl noch nie jemand ein Photon gesehen

In gewisser Weise sehen Sie gerade jetzt eine ganze Menge Photonen. So viele, dass sie ein Bild aufbauen. Und die Menschen haben definitiv Photonen in Experimenten nachgewiesen.

(wenn es "gesehen" wird, hört es angeblich - und ziemlich bequem - auf zu existieren)

Nicht immer. Das Photon hat eine E=hf- oder E=hc/λ-Wellennatur. Stellen Sie sich das Erkennen eines Photons so vor, als würde man mit einem großen Stock eine wackelnde Gallerte erkennen. Es verhindert, dass das Gelee wackelt. Aber es gibt so etwas wie eine schwache Messung . Eine schwache Messung ist wie die Verwendung eines Zahnstochers anstelle eines großen Stocks. Es gibt auch Compton-Streuung . Das Photon wird „erkannt“, aber es hört nicht auf zu existieren.

aber viele Experimente scheinen seine Eigenschaften zu bestätigen (oder sind sie vielleicht an das Experiment angepasst). Ich kann daher nicht umhin, mich zu fragen, ob das "Photon" dann nur ein physikalisch / mathematisches Werkzeug mit unerklärlichen Eigenschaften (wie Nullmasse - aber beeinflusst von Gravitationsfeldern - und konstanter Geschwindigkeit c im Weltraum) ist, das erfunden wurde, um einige ansonsten unerklärliche Phänomene zu erklären und zu ergänzen die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen. Kurzum: Sind sie real oder erfunden! Weiss es jemand? Oder vielleicht ist die Antwort „im Wind wehen“, denn für die meisten Physiker spielt es wahrscheinlich keine Rolle, solange es funktioniert (wie die alternativen Heiler sagen). Entschuldigung, wenn ich hier und da etwas sarkastisch wirke.

Sie sind echt. Wir können Elektronen (und Positronen) aus Photonen in Paarproduktion machen. Und Sie bestehen aus Elektronen und anderen Teilchen, die ebenso real sind.

Photonen existieren und lassen sich am besten als Energiepakete oder Teilchen beschreiben. Natürlich wird der Begriff Teilchen immer trivialisiert durch die Strohmann-Beschreibung einer Kugel oder Lichtkugel. Ein Partikel ist Teil von etwas anderem und muss keine feste Kugel sein. Tatsächlich ist es nur ein weiteres System für sich. Ein Photon könnte man als ein eigenes schwingendes System beschreiben, das sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum ausbreitet. Ein einzelnes Photon könnte auf mindestens vier Prinzipien aufgebaut werden.
(1) Eine kumulative Masse Masse, die zu klein ist, um sie zu diesem Zeitpunkt zu berechnen. (2) A Richtung und Geschwindigkeit (3) Eine Frequenz, die eine eigene systematische Schwingung anzeigen könnte. (4) und Gesamtdrehimpuls des Systems, der als Polarität wahrgenommen werden könnte. Wenn sich das Photon durch den Raum ausbreitet, spielen diese vier Prinzipien auseinander, wobei das wichtigste die Schwingungsfrequenz ist. Die Energie dieser internen Schwingung trägt zur Photonenenergie und zum photoelektrischen Effekt bei. Die Photonengeschwindigkeit und -masse haben ein wenig damit zu tun. Dies ist nur eine Möglichkeit, ein Photon physikalisch zu beschreiben, ohne auf ein sarkastisches Modell einer Kugel zurückzugreifen.