Verwirrung um Photonen?

1. Photonen sind masselos. Dies sollte nicht zu Verwirrung führen$E=mc^2$weil der Ausdruck für die relativistische Energie des Photons ist$E = h \nu$, dort$\nu$ist die Frequenz des Photons und$h$ist die Plancksche Konstante. Sie können auch die relativistische Energie des Photons verstehen, indem Sie das beachten$E = pc$wo$p=\hbar k$ist die Größe seines Impulses, und Photonen besitzen Impuls, wie Sie darauf hinweisen.$k$ist der Wellenvektor des Photons und$\hbar = h/2\pi$ist die reduzierte Plank-Konstante. Um dies alles zusammenzufügen, haben wir die Formel$E=\sqrt{m^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}}$.

2. Photonen existieren! Wie Sie betonen, hat die Existenz von Photonen physikalische Konsequenzen, die gemessen werden können. Vielleicht versucht Ihr Lehrer, wie Sie auch erwähnen, darauf zu bestehen, dass Sie sich weigern, Photonen nur als Teilchen zu betrachten (was wahrscheinlich keine so schlechte Idee ist), aber die Aussage "Photonen existieren nicht" sollte es meiner Meinung nach sein als ebenso trügerisch angesehen wie „die Tastatur, auf der ich tippe, existiert nicht.

Sie sind vorsichtig, indem Sie alles, was Ihr Lehrer sagt, mit einem großen Salzkorn nehmen. Nach meiner Erfahrung in der Physik (zum Teufel im Leben als Ganzes) ist es gut, alles , was jemals jemand sagt, mit einem Körnchen Salz zu nehmen (einschließlich meiner Antwort in dieser Angelegenheit).

Prost!

Er leistet gute Arbeit bei dem Versuch, die Verrücktheit von Photonen zu vermitteln, aber er ist schlecht darin, konsequent zu sein. Es ist schwierig zu kommunizieren, wie seltsam sie sind, ohne die von Ihnen beschriebenen Beziehungen zu verwenden.

Zunächst einmal haben Photonen keine Masse. Im Ruhezustand. Das Konzept, ein ruhendes Photon zu beschreiben, ist etwas seltsam, obwohl es so etwas nicht gibt.

Wenn Sie über Photonen in Bewegung sprechen, ist es verlockend zu sagen, dass sie Masse haben, aber die meisten Physiker sprechen heutzutage nicht so darüber. Vielmehr ist es am besten zu sagen, dass es ENERGIE hat. Während die Leute gerne sagen, dass Dinge eine relativistische Masse haben können, ist das falsch, Masse ist eine Konstante: Die Masse, die ein Ding hat, ändert sich nie, egal wie schnell Sie reisen: Vielmehr nimmt die Energie zu, um es zu beschleunigen (Trägheit).

Ein Photon hat also keine Masse, aber es hat Impuls. Das ist das Faszinierende am Licht. Und führt dazu, dass Impuls nicht immer mit Masse zusammenhängt, wie Sie erwähnt haben.

Untersuchen$E=mc^2$genauer und die richtige Gleichung ist tatsächlich$E^2 = m^2 c^4 + p^2 c^2$. Da Photonen einen Impuls haben, der mit seiner Energie / Frequenz zusammenhängt, ist dies in Ordnung.

Licht kann man sich am besten als Photonen vorstellen. Licht ist ein Photon, das ist Fakt, ABER Lichtwellen sind nur ein Modell. Das Auftreten von Wellenphänomenen ist darauf zurückzuführen, dass Licht quantenmechanisch probabilistisch interagiert und diese Natur es ihm ermöglicht, wellenähnliche Eigenschaften zu zeigen.

Die Wissenschaft der Quantenelektrodynamik untersucht dieses seltsame Verhalten.

Stellen Sie sich Licht vorerst als ein Photon und eine Welle vor, es ermöglicht eine gute Modellierung des alltäglichen Verhaltens und ist vollkommen in Ordnung.

Aber in Wirklichkeit ist Licht ein Photonenteilchen (deshalb funktioniert der photoelektrische Effekt), das, wenn es mit Schrödingers Gleichungen (einer Beschreibung von Wahrscheinlichkeiten) beschrieben wird, in eine Beschreibung einer Welle des Elektromagnetismus umgewandelt werden kann.

Zu deinen beiden Punkten:

Er sagte, dass Photonen unter bestimmten Bedingungen eine Masse haben.

Masselose Teilchen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit$c$im Vakuum. Mit seiner Aussage hat Ihr Lehrer möglicherweise auf die Tatsache angespielt, dass sich Photonen langsamer bewegen als$c$wenn sie durch Medien reisen, wie zum Beispiel Glas. Ich würde dies jedoch eher so formulieren wie "bei der Übertragung eines Photons durch ein Medium ist die Laufzeit des Photons durch dieses Medium so, dass es sich fortbewegt, als hätte es eine Masse." Die Reise von Photonen durch Medien ist eine ziemlich komplexe Angelegenheit, die ich nicht vollständig verstehe und die Wechselwirkungen mit geladenen Teilchen in den Medium- und Quasiteilchenzuständen beinhaltet, und ich bin mir nicht sicher, inwieweit das einfallende Photon sogar seine Identität behält, während es darin ist das Medium (vielleicht ist das eine andere Frage).

Er sagte, dass Photonen nicht wirklich existieren, aber praktisch vorstellbar sind.

Es steht außer Frage, dass Photonen existieren. Teilchenphysiker beschäftigen sich mit „harten“ (dh hochenergetischen) Photonen, die sich wie Teilchen verhalten – an anderen geladenen Teilchen streuen usw. Gute Beweise dafür, dass „weiche“ (niedrigenergetische) Photonen existieren, stammen aus Antibunching-Experimenten .

1) Ich würde Ihren Highschool-Lehrer auf einige der guten Antworten verweisen, die in dieser Austauschfrage zum Physikstapel zu finden sind . Die Antwort mit den höchsten Stimmen ist wirklich gut und bezieht sich auf die elektroschwache Theorie , die den elektroschwachen Abschnitt des Standardmodells regelt .

Die Allgemeine Relativitätstheorie respektiert die spezielle Relativitätstheorie und respektiert daher, dass die unveränderliche Masse des Photons Null ist , da das Photon durch einen Null-ähnlichen Vektor in seinem Ruhesystem beschrieben wird.

In der Teilchenphysik, wie in den obigen Links diskutiert, ist das aktuelle Verständnis, dass Masse ein Maß für die relative Wechselwirkungsstärke eines Teilchens mit dem Higgs-Feld ist, vermittelt durch das Higgs-Boson. Das Photon interagiert nicht direkt mit dem Higgs-Boson und hat daher keine Masse.

2) Was die Visualisierung des Photons betrifft, würde ich den einfachsten Weg wagen, in Begriffen der klassischen EM-Theorie (die übrigens eine Eichtheorie ist ) zu denken, wo wir die orthogonalen oszillierenden elektrischen und magnetischen Felder als Repräsentanten des Photons betrachten.

$E = mc^2$ist eine beliebte Formel, aber nur in einem Spezialfall gültig, wenn "der gesamte additive Impuls für das betrachtete System Null ist".$^1$

Die allgemeinere "Energie-Impuls-Beziehung" lautet:$E^2 = (mc^2)^2 + (pc)^2$

(Hier ist auch ein nettes kleines Video für deine Klassenkameraden ;) -> http://www.youtube.com/watch?v=NnMIhxWRGNw )

Mehr dazu und zur korrekten Vier-Vektor-Notation lesen Sie unter:

$^1$ http://en.wikipedia.org/wiki/Mass%E2%80%93energy_equivalence

Auch heute in der Zeit der Quantenoptik gibt es noch eine ganze Reihe von Arbeiten, die versuchen zu verstehen, was ein „Photon“ ist, z.

1. Was ist ein Photon - David Finkelstein
2. Licht neu überdacht - Arthur Zajonc
3. Das Konzept des Photons – neu interpretiert – Ashok Muthukrishan, Marlan O. Scully, M. Suhail Zubairy

und viele mehr zusammen in diesem netten Review: http://www.sheffield.ac.uk/polopoly_fs/1.14183!/file/photon.pdf

Oder mit den Worten von Roy Glauber: „ Ein Photon ist das, was ein Fotodetektor erkennt “