Was sind die Abmessungen, Breite und Länge eines Photons?

Alle reden immer von der Wellenlänge des Photons. Aber was ist mit seinen Abmessungen? Wie lang und breit ist es? Und hat es überhaupt einen Sinn, über solche Dinge nachzudenken? Oder sind diese Dimensionen in solchen Fällen nicht vorhanden?

Nun, die Wellenlänge wird leicht als ihre Länge angesehen. Aber es gibt weder Breite noch Tiefe. Wie breit oder tief ist eine Welle im Ozean? Wie breit ist der Ton? Ein Photon ist eine Welle, die sich manchmal so verhalten kann, wie wir es normalerweise Teilchen zuschreiben, aber nichtsdestotrotz eine Welle. Es ist nicht erforderlich, dass es irgendein Volumen hat
Obwohl es Argumente (einschließlich einiger akzeptierter Antworten) dagegen gab, scheint die Beschreibung eines Photons als Welle normalerweise (dh "klassisch") die Form, Größe und Geschwindigkeit des Teilchens in Bezug auf die zu verwenden Wahrscheinlichkeiten, dass sie an bestimmten Punkten auf dem Teil ihrer Bahn durch die Raumzeit gefunden wird, die der Umriss der Welle darstellt,

Antworten (3)

Die heute bekannten fundamentalen Teilchen (von denen das Photon eines ist) werden genau deshalb als fundamental bezeichnet, weil sie keine Substruktur oder tatsächlich räumliche Ausdehnung haben, die wir kennen. Sie sind punktförmig, wenn sie lokalisiert sind.

Beachten Sie, dass diese "Teilchen" Quantenobjekte sind, keine klassischen Teilchen, also sollten Sie sie sich nicht als Punkte vorstellen, die im Raum herumflitzen - sie besitzen delokalisierte Zustände, in denen sie überhaupt keine bestimmte Form annehmen (z. B. die "Elektronenwolke" um Atome herum). ist so ein delokalisierter Zustand).


Das Obige ist eine kurze, nicht-relativistische Sicht auf "Teilchen". Geht es um die relativistische Beschreibung, die eigentlich für die vollständige Beschreibung der Elementarteilchen benötigt wird, wird es deutlich trüber. Zum einen verlieren wir die naiven Positionsoperatoren, und der Begriff „Lokalisierung“ wird etwas unscharf, weil die neuen „Positionsoperatoren“, die Newton-Wigner-Operatoren, es nicht erlauben, beobachterunabhängig von Lokalisierung zu sprechen . Der generische Teilchenzustand, der in QFT-Berechnungen gestreut wird, ist normalerweise ein scharfer Impulszustand und daher stark delokalisiert, sodass sich jede Vorstellung von „punktartig“ nicht wirklich auf die Lokalisierung eines Teilchenzustands verlassen kann.

In diesem Bild ist die richtige Vorstellung eines "punktförmigen" Teilchens eines, dessen Streuverhalten keine Substruktur oder räumliche Ausdehnung anzeigt. Bei ausgedehnten Objekten, die aus Unterobjekten bestehen, ändert sich ihr Streuverhalten typischerweise, wenn die Energien/Längenskalen des Streuprozesses ihre Größe erreichen, weil dann ihre Interna aufgelöst werden und die einzelnen Unterobjekte beginnen, an der Streuung teilzunehmen. Unsere Vorstellung von Größe lautet also, dass das Streuverhalten skalenunabhängig ist. Weitere Informationen zu diesem Begriff der Größe in QFT finden Sie beispielsweise in dieser Antwort von Bosoneando .

Bedeutet das, dass ein Photon unendlich breit und lang ist, weil die Wahrscheinlichkeitsdichte, es zu finden, asymptotisch gegen Null tendiert? Wie in diesem bekannten Beispiel eines Elektrons in einem endlichen Potentialtopf?
@ user46147: Obwohl sich die Wahrscheinlichkeit so verhalten kann, wie Sie sagen, sollten Sie das Ausmaß der Wellenfunktion nicht mit der Größe des Objekts identifizieren. Quantenmechanisch ist es ziemlich unklar, was man unter „Länge“ oder „Breite“ eines Quantenobjekts verstehen würde.
@ACuriousMind: was sagst du?! Und was ist mit der Kohärenzlänge ? Dies ist unsere praktische Größenordnung der linearen Dimension des Wellenpakets.
@Sofia: Obwohl die Kohärenzlänge ein wichtiges Konzept ist, gibt sie mir den Maßstab an, in dem wir das Quantenverhalten des Objekts sehen, und nicht die Größe des Objekts.
Ich denke, es kann verwirrend sein, die Wellenlänge eines Photons anzuerkennen und gleichzeitig zu sagen, dass sie keine "Breite" haben. Mathematisch kann das Photon (oder Elektron für diese Angelegenheit) als Baustein in der QED punktartig und ohne Wellenlänge behandelt werden, aber Photonen in der realen Welt sind kompliziertere Quantenzustände mit sowohl "Breite" als auch Wellenlänge. Ich denke, Sie implizieren dies in Ihrem zweiten Absatz. Mit anderen Worten, ein echtes Photon mit einer bestimmten Wellenlänge hat wahrscheinlich auch eine räumliche Ausdehnung nach einer ähnlichen Definition. Es ist bedauerlich, dass "Photon" für beide Definitionen verwendet wird.
Ich denke, eine Analogie wäre hilfreich. Stellen Sie sich ein zweiatomiges Molekül vor: Obwohl seine charakteristische Größe, dh der mittlere Abstand zwischen Atomen, in der Größenordnung von Angström liegt, können wir es so verlangsamen, dass die Wellenlänge seines Massenschwerpunkts einige zehn Nanometer beträgt. Oder wir können es beschleunigen, um seine Wellenlänge in der Größenordnung von Pikometern zu machen. Aber die Größe bleibt im Wesentlichen gleich. Man sollte also die Wellenlänge des Objekts als Ganzes, dh seines Massenschwerpunkts für ein massives Teilchen, und die Größe dieses Objekts nicht verwechseln – sie sind völlig unabhängig voneinander.
Finden Sie es nicht ein wenig unfair, das Photon mit dem „Punkt“ zu identifizieren, an dem Sie es in einem Detektor messen? Wie definieren Sie das überhaupt, wenn man bedenkt, dass jedes Messgerät (das heißt eines, das eine projektive Messung implementiert) das "nicht lokalisierte Photon" durch Interaktion mit einem makroskopischen System kollabiert? Glauben Sie nicht, dass es viel sinnvoller ist, das "Photon" mit seinem Zustand zu identifizieren, bevor Sie seine Position messen, damit seine "Dimensionen" effektiv alles sein können, was Sie wollen, von vollständig delokalisiert im Universum gemäß CBR bis hin zu eingeschlossen? ein Wellenpaket in Laborgröße?
@ user46147 Wenn Sie sich ein einzelnes Photon vorstellen oder vorstellen möchten, denken Sie am besten überhaupt nicht an Wellenlängen oder Wellen. Neben der Polarität ist das Wichtigste an einem Photon, das sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, seine Frequenz oder die Anzahl seiner Schwingungen pro Sekunde. Hier auf Physics Exchange finden Sie widersprüchliche Antworten darauf, da einige Leute nicht glauben, dass Photonen als individuelle Dinge existieren. Was Ihre eigentliche Frage betrifft, glaube ich nicht, dass ein Experiment entwickelt wurde, um die minimale oder maximale Breite eines Photons zu testen.
@glS Ja, ich bin mir jedoch nicht sicher, ob ich das Photon mit dem Punkt auf einem Bildschirm identifizieren möchte. Die beste formale Vorstellung von "punktartig" ist wahrscheinlich, dass ein Streuexperiment eine Substruktur nicht auflöst, dh es gibt keine Länge/Energie, bei der sich das Streuverhalten aufgrund der Auflösung der internen Struktur ändern würde.
Es ist nicht wirklich wahr, dass Elektronen Punktteilchen sind, wenn sie lokalisiert sind. Normalisierte Lösungen der Dirac-Gleichung sind höchstens auf ein Volumen in der Größenordnung der Compton-Länge lokalisiert. Dies liegt daran, dass der Positionsoperator, den Sie verwenden "sollten", der Newton-Wigner-Operator ist. Dies erklärt auch, wie die minimale Kopplung in der Dirac-Gleichung die magnetische Dipolenergie und die Spin-Bahn-Wechselwirkung ergeben kann. Vgl. Newton und Wigner (1947, glaube ich), Foldy und Wouthuysen (1950) und Foldy (1952). Andererseits bleiben die Newton-Wigner-Eigenzustände unter Boost nicht lokalisiert, sondern die eigentliche Lehre aus
Das heißt, relativistische QM ist nicht wirklich "nett", es sei denn, Sie betreiben Feldtheorie, und alle Teilcheninterpretationen werden immer zumindest etwas problematisch sein. (Ich meine, experimentell funktioniert das Teilchenbild wirklich gut, also muss etwas dran sein. Die Foldy-Wouthuysen-Transformation erklärt, wie.) Das ist für Elektronen; für Photonen gibt es kein Analogon zum Newton-Wigner-Operator, daher gibt es keine einfache Möglichkeit, über die Größe eines Photons zu sprechen. Vgl. Arnold Neumaiers FAQ.
@RobinEkman Ich glaube, ich wollte nicht, dass es bei dieser Antwort um einen relativistischen Größenbegriff geht, was vielleicht ein Fehler war. Ich habe einige Diskussionen über "Größe" und Lokalisierung in QFT hinzugefügt.

Für mich bevorzuge ich eine experimentelle Definition der Größe eines Photons. Wenn Sie Licht durch eine Öffnung leiten, sehen Sie Interferenzeffekte, wenn sich die Öffnung der Wellenlänge des Photons nähert, als ob Sie die Kanten beschneiden würden. Warum müssen wir es komplizierter machen?

Wenn das Photon punktförmig ist, dann wäre die Energiedichte unendlich, was unrealistisch erscheint.

Es muss im Weltraum lokalisiert werden, da Photonen vom anderen Ende des Universums nachgewiesen werden können. Wenn sich Photonen ausbreiten, würde ihre Energiedichte über diese Entfernungen gegen Null gehen.

Es kann experimentell gezeigt werden, dass das Photon nicht punktförmig ist. Das Young's-Slits-Experiment beinhaltet die Interferenz eines Photons mit sich selbst (das Photon verhält sich in gewisser Weise wie ein Teilchen, in gewisser Weise wie eine Welle und in gewisser Weise wie eine Wahrscheinlichkeitsverteilung. In Wirklichkeit sind dies praktische Modelle, die wir darauf anwenden - in Wirklichkeit ist es nichts davon - es ist ein Photon). Die im Schlitzexperiment von Young gezeigten Interferenzmuster bleiben auch dann bestehen, wenn der Photonenstrom so weit reduziert wird, dass jeweils 1 Photon auf einmal durchgeht. Der Längenunterschied in den 2 Pfaden kann variiert werden, um die Kohärenzlänge zu bestimmen. Ich glaube, das liegt in der Größenordnung von 1m. Ein weiterer experimenteller Beweis dafür, dass das Photon eine signifikante Länge haben muss, ist, dass die Streuung seiner Frequenz minimal ist. wenn es auf 0 reduziert Amplitude über (zB