Wie sehen Photonen aus?
Wir haben viele Theorien, die die Teilchennatur des Lichts befürworten. Aber haben wir jemals Photonen physikalisch beobachtet?
Wenn ja: Wie sehen sie aus? Wie gross sind sie?
Wenn nicht: warum nicht? Liegt es daran, dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen?
Antworten
Haben wir sehen ein Elektron?
Wir sehen den Weg eines Elektrons in einer Blasenkammer, die Spur, die es hinterlässt, ionisiert die Atome.
Blasenkammerfoto eines aus einem Wasserstoffatom herausgeschlagenen Elektrons
Auf einer einzelnen Photonenebene sehen wir die Fußabdrücke von Photonen auf einer empfindlichen Oberfläche, wo sie streuen und einen Punkt hinterlassen.
Einzelphotonen-Kameraaufnahme von Photonen aus einem Doppelspalt, der von sehr schwachem Laserlicht beleuchtet wird. Von links nach rechts: Einzelbild, Überlagerung von 200, 1'000 und 500'000 Bildern.
Elementarteilchen können nicht so gesehen werden, wie wir Objekte sehen, sondern nur ihre Wechselwirkungen. Das Photon ist ein Elementarteilchen.
Hinweis: Der Link, den ich für die Photonen hatte, funktioniert nicht richtig, es scheint eine Reorganisation zu geben und dieser Artikel kann nicht gefunden werden. Ich werde nachsehen. Dieses Papier hat das ursprüngliche Experiment. Dies ist die richtige Verbindung für die "Wellenteilchen-Dualität für das Klassenzimmer".
"Wir haben viele Theorien, die die Teilchennatur des Lichts befürworten". Lassen Sie mich diese Aussage zunächst umformulieren, um sie genauer zu machen:
Wir haben ein weitreichendes und mathematisch elegantes Gerüst, das als Quantenmechanik bezeichnet wird, und wenn es auf elektromagnetische Phänomene angewendet wird, ergibt es das Photonenmodell.
"Aber haben wir jemals Photonen physikalisch beobachtet? Wie sehen sie aus?"
Die Antwort darauf ist, dass jede Beobachtung mit Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung vom Photonenmodell korrekt behandelt wird. Einige Beobachtungen könnten aber auch von anderen Modellen wie dem klassischen Elektromagnetismus verarbeitet werden. Um Ihre Frage genauer zu stellen, könnte man sagen: "Welche Beobachtungen unterstützen das Photonenmodell über anderen möglichen Modellen?" Wir müssen es so fragen, weil wir so ziemlich alles beobachten, indem wir seine Auswirkungen beobachten. Selbst wenn Sie eine harte Oberfläche mit Ihrem Finger berühren, spüren Sie die Wirkung der Oberfläche auf Ihren Finger. Und wenn Sie etwas sehen, spüren Sie die Reaktion der Lichtrezeptoren in Ihrem Auge.
Ein Beispiel für einen Effekt, der stark auf das Photonenmodell hindeutet, ist der photoelektrische Effekt. Hier ist das Verhalten der Elektronen in einem Metall als Reaktion auf Licht für die Verwendung anderer Modelle schwer zu verstehen, aber das Photonenmodell macht es ziemlich leicht. In dieser Art von Experiment beobachtet man also die Auswirkungen von Photonen. Und wie ich gerade bemerkt habe, ist die Beobachtung der Auswirkungen alles, worauf man jemals hoffen kann.
Es gibt eine Art Lichtdetektor, die als Fotovervielfacherröhre bezeichnet wird und den fotoelektrischen Effekt nutzt. Wenn Sie Licht auf den Detektor richten, werden eher eine Reihe kurzer elektrischer Impulse als ein kontinuierlicher Strom beobachtet. Dies zeigt an, dass die Energie in kurzen Impulsen am Detektor ankommt - mit anderen Worten, Photonen. Anspruchsvollere Experimente mit Atomen wurden verwendet, um die räumliche Verteilung eines Lichtfeldes detailliert abzubilden. In diesen Experimenten wird die Form des von den Photonen eingenommenen Raumbereichs erfasst.
Der Beweis für das Photonenmodell liegt letztendlich in der Art und Weise, wie es tief in den gesamten theoretischen Rahmen der modernen Physik eingebunden ist. Dies ist die einzige Möglichkeit, die gesamte Bandbreite elektromagnetischer Phänomene zu verstehen, unabhängig davon, ob Sterne leuchten oder Elektronen ihren Zustand in Atomen ändern, Lichtdetektoren, Photosynthese oder Tausende anderer Beobachtungen. Es ist diese Fülle an Informationen, die uns zuversichtlich macht, dass die Photonenbeschreibung die richtige ist.
In meinem Labor verwenden wir ständig einphotonensensitive Detektoren. Wir haben uns daran gewöhnt zu sagen, wann der Detektor aussendet$N$ elektrische Impulse "haben wir erkannt $N$ Photonen ". Dies beantwortet Ihre Frage" Haben wir jemals Photonen physikalisch beobachtet? ". Wir können die Form des Lichtfelds auch mit Kameras erfassen. Dies bedeutet, zu beobachten, wie die Photonen" aussehen ", obwohl Sie ein vollständiges Bild erhalten müssen Sammeln Sie viele Bilder eines Lichtfeldes, das über die Zeit konstant bleibt. Sie sehen also tatsächlich viele Photonen, die nacheinander ankommen, aber alle dieselbe räumliche Verteilung haben. Die Verteilung gibt die Wahrscheinlichkeitsverteilung an, wo sich der Detektor im Raum befindet (z. B. a Kamera) registriert etwas Energie.
Ein Photon sieht von einem kleinen Punkt aus wie ein Lichtblitz aus. Wenn Sie also ein Photon sehen (wenn Ihre Augen empfindlich genug sind), sehen Sie einen Lichtblitz.
Die "Größe" eines Photons ist viel seltsamer, da Photonen keine "Teilchen" im traditionellen makroskopischen Sinne des Wortes sind.
In diesem Blog gibt es einige interessante Informationen https://briankoberlein.com/blog/thats-about-the-size/
Das, was ein Photon einer Form am nächsten kommt, ist seine Wellenfunktion.
Es ist nicht möglich, eine solche Welle zu beobachten. Wir müssen es "zusammenbrechen", um es zu beobachten, und dann wissen wir nur, wohin es zusammengebrochen ist. Verschiedene Messgeräte erfassen dies auf unterschiedliche Weise, typischerweise als plötzliche energetische Anregung eines an ein Atom gebundenen Elektrons.
Die Welle ist so undurchdringlich, dass wir sie eher als eine Welle von Möglichkeiten betrachten und uns nur die Wahrscheinlichkeit mitteilen, wo wir sie finden könnten, wenn wir sie beobachten oder kollabieren.
Wir finden das Wort "Teilchen" oft bequem, wenn wir darüber sprechen, machen uns aber keine Illusionen; Dies ist nichts anderes als ein "klassisches" Teilchen. Es ist nur ein Wort, das wir aus der Vergangenheit geerbt haben, um etwas extrem Seltsames zu beschreiben, das wir noch nicht verstehen. Quantenphysiker beschwören sich aus gutem Grund, "die Klappe zu halten und zu rechnen".
Photonen sind zweifellos eines der faszinierendsten Quantenphänomene in der Physik. Sie hören Sätze wie "Lichtquantum". Nur sie zu definieren ist eine Kunst.
Es ist leicht, sich ein Teilchen als eine "Einheit" der Welle vorzustellen, und da "Quantum" eine Einheit von etwas bedeutet, wurde das Wort mit "Teilchen" assoziiert. Der tatsächliche Beitrag, der von einer bestimmten Frequenz kommen kann, kann nur sein einer aus einer Reihe spezifischer Werte, die ganzzahlige Vielfache einer Einheit ℏc / k sind. "Quantum" ist das Wort für diese Energieeinheit.
Was genau ist ein Lichtquantum?
Sie fragen nach der Teilchennatur des Lichts.
Wie tragen elektromagnetische Wellen quantisierte Energie?
Sie sehen aus dem Bild, dass wir leicht verwirrt werden können, selbst wenn wir über die Teilchen- oder Wellennatur des Lichts sprechen.
Jetzt fragen Sie, ob Photonen jemals physikalisch beobachtet wurden, und die Antwort lautet: Ja, wir haben etwas, das als Einzelphotonendetektor bezeichnet wird.
https://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_nanowire_single-photon_detector
Bitte beachten Sie, dass sogar unsere Augen manchmal sogar einzelne Photonen erkennen können und dies auch tun, obwohl unser Gehirn möglicherweise mehr als ein Photon benötigt, um es bewusst als Licht wahrzunehmen.
Wir sehen die Dinge in einer Reihe von Blitzen. Ein Photon regt ein Rhodopsinmolekül in unserer Netzhaut an und unser Sehnerv sendet jedes Mal ein Signal. Unter normalen Umständen ist die Anzahl der vom Auge detektierten Photonen pro Sekunde jedoch so groß, dass die vom Gehirn empfangenen Signale effektiv kontinuierlich sind, sodass wir keine Schwingung in unserer Sicht sehen.
Wenn Licht seine Energie in diskreten Paketen trägt, warum sehen wir dann nicht eine Reihe von Blitzen, wenn wir die Dinge betrachten?
Jetzt fragen Sie, wie ein Photon aussieht. Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu beantworten. Wenn wir darüber sprechen, wie ein Objekt aussieht, denken wir einerseits darüber nach, wie Photonen von ihm abprallen und dann ein Bild in unserem Gehirn erzeugen. Auf diese Weise können wir jedoch nicht darüber sprechen, wie ein Photon aussieht, da wir dazu Photonen von einem Photon abprallen müssten (aber Photonen interagieren nicht so, nur bei hohen Energieniveaus) und sehen, welches Bild entsteht. Andererseits sind Photonen selbst die Dinge, die wir wahrnehmen, und unser Gehirn interpretiert sie (in Wirklichkeit eine Kombination von) als farbig.
und sieht nur dann wie ein lokalisiertes Teilchen aus, wenn es in einem Lichtdetektor erfasst wird. Das Photon, von dem der Hochenergie-Experimentator spricht, ist ein kleines Teilchen, das auf Fotos der Teilchenspuren und ihrer Streuereignisse nicht zu sehen ist
Was genau ist ein Photon?
Die Antwort auf Ihre Frage lautet also, dass Photonen faszinierende Phänomene sind und eine Energieform (Quanten des EM-Feldes) darstellen und wie jede Form dieses Energiestücks aussehen. Unser Gehirn ermöglicht es uns, sie als Farbe zu interpretieren, die ihrer Wellenlänge entspricht, aber letztendlich ist dies nur unsere Wahrnehmung dieser Energieform.
Aber haben wir jemals Photonen physikalisch beobachtet? Wenn ja, wie sehen sie aus?
Gute Frage. Damit ein Objekt direkt gesehen werden kann , muss es Photonen streuen. Dies setzt also einen Photon-Photon-Streuprozess oder eine Paarproduktionsreaktion voraus:$$ \gamma_1 + \gamma_2 \to e^+ e^- $$ oder als Feynman-Diagramm:
Schade, dass dieser Prozess hochenergetische Photonen mit einer Größenordnung von ein paar Dutzend umfasst $\text{GeV}$Energie. So viel Energie kann nur in CERN- oder ähnlichen Teilchenbeschleunigerlabors erzeugt werden. Erste Photon-Photon-Streuung wurde 1998 beobachtet . Sie können einen umfassenderen Überblick über die Photon-Photon-Streuungsforschung erhalten .
Soweit ich sagen kann, ist dies ein sehr intensiver Forschungsbereich, der noch nicht abgeschlossen ist. Daher müssen noch viele Arbeiten durchgeführt werden.