Wie kann man sich die elektromagnetischen Wellen vorstellen? [Duplikat]

Ich habe in der Schule gelernt, dass die elektromagnetische Strahlung aus Photonen besteht.

Die elektromagnetische Welle wird durch die Lösung der klassischen Maxwell-Gleichung beschrieben , die eine sinusförmige Abhängigkeit für die elektrischen und magnetischen Felder senkrecht zur Bewegungsrichtung der Welle hat. Aus diesem Grund wird es als Welle bezeichnet und die Frequenz ist die Wiederholungsrate des sinusförmigen Musters.

Quantenmechanisch ist die klassische Welle ein emergentes Phänomen. Es wird von Photonen mit einer Energie aufgebaut, die der beobachtbaren Frequenz des austretenden klassischen Strahls, E=h*nu, zugeordnet ist.

Ein Photon hat nur diese Energiedefinition und eine Spin-1-h- Orientierung entweder in seiner Bewegungsrichtung oder dagegen, wobei h die Plancksche Konstante ist. Der im Bild aufgebaute Strahl wird durch die einzelnen Photonen aufgebaut (mittleres Bild).

Dies geschieht, weil die quantenmechanische Wellenfunktion eines Photons die E- und B-Informationen in ihrer komplexen Form hat ( eine Lösung einer quantisierten Maxwell-Gleichung ) und die Überlagerung von Photonen die klassischen Felder mit der Frequenz nu aufbaut.

Und alle Frequenzen der Wellenlängen von Photonen definieren das elektromagnetische Spektrum.

Die Frequenzen des klassischen elektromagnetischen Spektrums definieren die Energie des Photons, h*nu, nicht das Photon die Frequenz, denn es ist nur die Nachweiswahrscheinlichkeitsverteilung eines einzelnen Photons, das im Raum „schwingt“, nicht das Photon selbst.

Wie kann man sich eine Welle vorstellen? Ich glaube nicht, dass sich das Photon physikalisch seitwärts bewegt, und das nennt man das Wellen. Aber was ist es dann?

Man muss sich das Photon nicht als Welle vorstellen. Nur die Wahrscheinlichkeit, es zu entdecken, wie in dieser Antwort zu sehen ist.

Die Erklärung der Wellenlänge ist, dass es sich um eine räumliche Periode der Welle handelt – die Distanz, über die sich die Form der Welle wiederholt.

Dies gilt für die entstehende klassische Welle.

Wie kann ein einzelnes Photon das haben?

Ein einzelnes Photon hat nur eine Detektionswahrscheinlichkeitsverteilung, die "wellig" ist, wie oben erläutert. Es ist keine Welle.

Die Maxwell-Gleichungen haben bestimmte stationäre Zustände. Wir können diese sogenannten Moden erhalten und jede klassische Wellenform kann als lineare Kombination dieser Moden aufgebaut werden.

In einem Prozess, der als zweite Quantisierung bezeichnet wird, bringen wir (mit der Hand winkend) Partikel in diese Modi. Diese Teilchen sind Photonen. Jeder Modus kann 0, 1, 2 Photonen haben.

Aber es gibt noch mehr: Wir wissen aus dem Unbestimmtheitsprinzip, dass keine dynamischen Freiheitsgrade absolut beschränkt werden können, da dies einen unendlichen Impuls implizieren würde. Das gilt auch für den Koeffizienten dieser elektromagnetischen Mode, und daher gibt es immer Vakuumschwankungen des elektromagnetischen Feldes.

Mit anderen Worten, jeder Modus kann als Quantenoszillator dargestellt werden. (Man leitet eine Bewegungsgleichung für einen Modus ab und stellt fest, dass sich einige Größen wie Impuls und andere wie Position verhalten). Quantum 101 sagt aus, dass die Modi eines Quantenoszillators quantisiert sind.

Jetzt können wir diese Moden in einem seltsam geformten Hohlraum haben und daher können wir sehr strukturierte Moden mit unbestimmtem Impuls haben. Normalerweise werden Photonen jedoch im Fernfeld der Probe so gemessen, dass sie einen bestimmten Impuls und eine bestimmte Energie haben.

Das Photon schwingt also in keine Richtung. Photon ist eine "Besetzung" einer elektromagnetischen Mode, die schwingt.

Eine weitere Analogie, um darüber nachzudenken: Man könnte eine schwingende Saite nehmen und ihren Grundmodus (z. B. 440 Hz) lösen. Wenn dies quantisiert wäre, könnte man aufgrund des Unschärfeprinzips die Saite in Ruhe finden. Außerdem werden wir feststellen, dass die Saite nur eine quantisierte Energiemenge haben kann. Mit anderen Worten, die Größe der Schwingungen wird quantisiert. Mit anderen Worten, wir können zählen, wie viele (ganzzahlige) Energiequanten sich in der Kette befinden. Lassen Sie uns all diese Quanten zu einem Vibron machen. Nun, das ist im Wesentlichen dasselbe wie Elektromagnetismus und Phononen, abgesehen von der Lorentz-Invarianz, der speziellen Relativitätstheorie für masselose Teilchen, den Kommutierungsbeziehungen von Spin-1-Teilchen und einigen anderen komplexen Dingen außerhalb des Geltungsbereichs.