Was ist die Größe des Photons?

Ein Photon ist eine Anregungseinheit ("Quant") des elektromagnetischen Quantenfeldes. Wenn wir uns das Quantenfeld grob als eine riesige Sammlung harmonischer Quantenoszillatoren vorstellen, wobei jeder Oszillator einem Schwingungsmodus des Felds entspricht, spezifizieren wir den Zustand des Quantenfelds, indem wir angeben, in wie vielen Quanten über dem QHO-Grundzustand sich jeder Modusoszillator befindet (erinnern Sie sich dass ein harmonischer Quantenoszillator gleich beabstandete Energieniveaus mit gleichmäßigem Energieabstand hat$h\,\nu$mit Grundzustandsenergie$\frac{1}{2}\,h\,\nu$). Die einzige physische Einheit in diesem Bild ist das Quantenfeld, die "Photonen" sind nur Einheiten, die verwendet werden, um den Zustand von Modusoszillatoren zu benennen, so wie Euro oder Dollar oder Rupien oder Yen verwendet werden könnten, um den Zustand Ihres Bankkontos zu benennen . Das Feld muss nicht einmal eine bestimmte Anzahl von Photonen in jedem Oszillator haben: Als Quantenobjekt kann es sich in einer linearen Quantenüberlagerung von Zuständen mit bestimmten Photonenzahlen befinden (Überlagerung von Fock-Zuständen).

Man kann also ebensowenig nach der physikalischen Ausdehnung eines Photons fragen wie nach der physikalischen Ausdehnung der ganzen Zahl$1$Ist. Ich würde die Physics SE-Frage "Was ist grundlegender, Felder oder Teilchen?" empfehlen. und insbesondere die Antwort von Benutzer DanielSank, um mehr über diese Ideen zu erfahren.

Man kann jedoch sinnvollerweise nach charakteristischen Größen von Regionen fragen, die signifikant durch das elektromagnetische Feld in einem reinen Ein-Photonen-Zustand beeinflusst werden. Wie beim Elektronenfeld können wir die Störung beliebig delokalisieren: Ein Ein-Photonen-Zustand, der ein Impuls-Eigenzustand ist, wird theoretisch über den gesamten Raum delokalisiert. Im Allgemeinen lassen sich Ein-Photon-Zustände nur sehr schwer auf Bereiche beschränken, die kleiner als etwa eine Wellenlänge sind. Das elektromagnetische Feld kann unter besonderen Umständen auf kleinere Regionen beschränkt werden, aber dann wird es evaneszent und im freien Raum passiert das sowieso nicht: Wechselwirkung mit Materie ist nötig, sodass wir nicht mehr wirklich von reinen Photonen sprechen, sondern eher Überlagerungen von EM- und Materieanregungen.

Gibt es eine Photonengröße, wenn ja, welche?

Das Photon ist ein Elementarteilchen unter anderen, die eine Grundlage für das Standardmodell der Teilchenphysik bilden.

Das Standardmodell der Elementarteilchen (schematischere Darstellung) mit den drei Generationen von Materie, Eichbosonen in der vierten Spalte und dem Higgs-Boson in der fünften.

Das Modell kapselt alle experimentellen Daten sehr erfolgreich ein, und die Größe dieser Partikel wird als Null betrachtet, es handelt sich um Punktpartikel.

Und auch, welches Teilchen unter Berücksichtigung der ganzen Materie die kleinste Größe / den kleinsten Radius / das kleinste Volumen hatte.

Ein zusammengesetztes Teilchen, wie ein Proton, das aus drei Quarks und ihrem dynamischen Austausch besteht, hat angesichts der Energie der Sondierungswechselwirkung eine bestimmte Größe.

Elementarteilchen sind Punktteilchen.

Die Stringtheorie, die versucht, das Standardmodell zu erweitern und es mit der Gravitation zu vereinen, stellt die Hypothese auf, dass Elementarteilchen Schwingungen auf einer eindimensionalen Saite sind, deren Dimension in der Größenordnung der Planck -Länge liegt, 16x10^-36 Meter, eine sehr kleine Länge, die experimentell nicht messbar ist.

Um den Gedankengang fortzusetzen, der die Größe in Bezug auf den Querschnitt in Bezug auf einen relevanten Prozess definiert, muss man die Wechselwirkung klären, in Bezug auf die Sie die Größe des Photons kennen möchten.

Nach meinem Geschmack wäre ein natürlicher Querschnitt, nach dem man suchen sollte, die Streuung von Photonen an sich selbst im Vakuum des Standardmodells, wie hier beschrieben: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Two-photon_physics

Eine schnelle Suche nach neuerer Literatur führt zu diesem Artikel: https://arxiv.org/abs/1106.0592 , wo der (differenzielle) Wirkungsquerschnitt in Bezug auf die Feinstrukturkonstante (QED-Kopplungskonstante) angegeben ist.$\alpha$und Photonenfrequenz$\omega$:

Man muss es nur über Winkel integrieren und die richtigen Einheiten einsetzen (den Faktor wiederherstellen$c^2$verloren$c=1$Konvention und Ersatz$\omega = 2 \pi c /\lambda$), um den gesamten Streuquerschnitt in Bezug auf das Quadrat der Photonenwellenlänge und die vierte Potenz zu erhalten$\alpha$:

Daher ist ein Photon in den Augen anderer Photonen mit denselben Wellenlängen äquivalent zu einer undurchsichtigen Scheibe mit Durchmesser

Die Antwort ist offensichtlich proportional zur Wellenlänge (es gibt keine anderen Längen im Problem, solange$\lambda$ist viel kleiner als die Compton-Wellenlänge des Elektrons, was die in der Veröffentlichung betrachtete Grenze ist). Die Proportionalitätskonstante ist jedoch aufgrund des kleinen Werts von sehr klein$\alpha$und die Tatsache, dass Licht-Licht-Streuung ein QED-Prozess vierter Ordnung ist.

Bei Partikeln wird „Größe“ oft durch die Statistik von Streuexperimenten definiert. Eine vernünftige Methode, um die Länge zu messeneines Photons besteht darin, zunächst eine Quelle für viele identische Photonen bereitzustellen und dann ein Michaelson-Interferometer mit einem Arm variabler Länge aufzubauen. Das Interferometer kann dann verwendet werden, um die maximale Weglängendifferenz zu messen, die die Bildung eines Interferenzmusters erlaubt. Das entspricht der halben Länge des Photons. Die Breite eines Photons kann auf ähnliche Weise gemessen werden: Fügen Sie in einem Michaelson-Interferometer Spiegel oder Prismen hinzu, um den Strahl in einem Arm umzudrehen, sodass ein Strahl einem Spiegelbild von sich selbst überlagert wird. Die Breite des Bereichs, über dem Interferenzstreifen beobachtbar sind, entspricht der Hälfte der Breite des Photons. Beachten Sie, dass die Größe eines Photons gemäß dieser Definition keine Konstante ist; sie hängt von der Art der Lichtquelle und von der Geometrie der Interferometeroptik ab.

Verwendet man eine analoge Methode, um die Größe eines Elektrons zu messen, erhält man ein ähnliches Ergebnis – denn damit wird die Größe der Wellenfunktion gemessen . Andererseits hat ein Proton einen endlichen Radius, der durch Streuexperimente (z. B. Proton-Proton-Streuung) gemessen werden kann. Photon-Photon-Streuung tritt unter keinen derzeit erreichbaren Bedingungen auf, und Elektron-Elektron-Streuung hat bisher keinen endlichen Radius offenbart.

Fazit: Die Partikelgröße hängt von der Definition der Größe ab, die auf die Messmethode hinausläuft. Ich persönlich kann sagen, dass die Größe eines Photons der Größe seiner Wellenfunktion entspricht.

Um die vorherigen Antworten zu ergänzen und zu verdeutlichen, wenn Sie akzeptieren, dass wir uns, wenn wir Photon sagen, wirklich auf eine Störung in einem EM-Feld beziehen, lautet die Antwort, dass das Photon kein Volumen hat, weil Wellen kein Volumen haben.

Ich denke, dies ist für einige eine verwirrende Idee, denn klassischerweise, wenn wir über eine Welle sprechen, sagen wir, dass es ein zugrunde liegendes Teilchen gibt, das durch eine Kraft interagiert, und die Energieübertragung durch dieses Medium von Teilchen durch diese Kraft bildet die Welle. Aber bei Photonen ist die Behauptung, dass es kein Medium gibt .

Dies wirft wirklich die Frage auf, wie sich ein Photon ausbreitet, wenn kein Medium vorhanden ist. Eine Möglichkeit, diese Frage zu beantworten, besteht darin, nach dem Mechanismus zu fragen, durch den Photonen miteinander interagieren, was hier ein wenig diskutiert wird . Hoffentlich liefert das etwas mehr Kontext zu den obigen Antworten.