Einzelphoton am Strahlerteiler < HochschulPhysik < Physik < Naturwiss. < Vorhilfe
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Hallo!
ich habe ein gedankliches Problem mit dem Strahlteiler bzw. Michelson-Interferometer, wenn wir ein Einzelphoton betrachten. Dieses hat bei bestimmter Wellenlänge eine bestimmte Energie (hier: im Vakuum).
Wenn sich nun nach dem Komplementaritätsprinzip das Teilchen als Welle verhält und beide Wege am Strahlteiler nimmt, so sollte bei einem 50/50 Beamsplitter in jedem Arm des Interferometers 50% der Anfangsintensität sein. Dies bedeutet jedoch eine Reduzierung der Energie um 50% und somit eine Verdopplung der Wellenlänge in jedem der Arme - oder?
Dementsprechend müssten sich andere Werte bei Wellenlängemessung durch Weglängenänderung eines Arms ergeben...
Wäre sehr dankbar , wenn mir jemand sagen kann, warum das Michelson-Interferometer auch mit Einzelphotonen funktioniert.
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(Antwort) fertig  | | Datum: | 21:34 Di 10.06.2014 | | Autor: | chrisno |
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> Wenn sich nun nach dem Komplementaritätsprinzip das
> Teilchen als Welle verhält und beide Wege am Strahlteiler
> nimmt, so sollte bei einem 50/50 Beamsplitter in jedem Arm
> des Interferometers 50% der Anfangsintensität sein.
Da verstößt Du gegen die zentrale Einsicht, die zur Begründung der Quantenmechanik geführt hat. Das Licht kommt in Portionen (Quanten, Photonen). Ein Strahlteiler kann diese Portion nicht teilen.
>...
> Wäre sehr dankbar, wenn mir jemand sagen kann, warum
> das Michelson-Interferometer auch mit Einzelphotonen
> funktioniert.
Ein einzelnes Photon macht kein Interferenzmuster. Erst wenn Du viele Photonen hast, bekommst Du auf dem Detektor ein Interferenzmuster, dass ich aus der Auftreffwahrscheinlichkeit der einzelnen Photonen ergibt.
Wenn Du nur ein Photon betrachtest, dann kannst Du berechnen, mit welcher Wahrscheinlichkeit es auf ein Flächenelement des Detektors auftrifft. Um diese Wahrscheinlichkeit zu berechnen, lässt Du in Gedanken eine Welle durch die Apparatur laufen und betrachtest die Intensitäten.
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Hallo chrisno,
danke für Deine rasche Antwort. ..so ganz hast Du mich jedoch nicht überzeugt. Ich konstruiere deshalb noch einen ausführlichen Fall:
Wir nehmen den Fall an, dass ein Photon der Wellenlänge [mm] $\lambda$ [/mm] die Quelle verlässt und die Armlängendifferenz des Michelson-Interferometers genau [mm] $\frac{\lambda}{4}$ [/mm] beträgt.
Nach dem, was man allgemein als gültig annimmt (und was auch im Experiment bestätigt wird), bleibt in diesem Zustand das Bild auf dem Detektor schwarz (kein Photon trifft auf den Detektor), statt dessen gehen sie (Versuchaufbau bedingt) zurück zur Quelle.
Diese Tatsache bedingt jedoch, dass das Photon mit sich selbst interferiert und als Welle mit Wellenlänge genau [mm] $\lambda$ [/mm] zu betrachten ist - nicht etwa mit Wellenlänge [mm] $2\cdot\lambda$, [/mm] denn sonst würde in 50% der Fälle (Phasendifferenz ist ja [mm] $\frac{\pi}{2}\;\Rightarrow$ [/mm] Interferenz mit 50% der maximalen Intensität) das Photon beim Detektor landen.
Im Widerspruch dazu steht jedoch die Intensitätenaufteilung, die eine Halbierung der Energie erfordert bzw. ein erste Halbierung beim ersten Treffen auf den Strahlteiler (50%), dann beim Rückweg wieder eine Halbierung am Strahlteiler (25%), danach jedoch ein Zusammenführen beider Strahlen (25%+25%=50%). Also insgesamt eine Halbierung der Intensität bzw. Energie --> "doch die doppelte Wellenlänge" oder rechnen wir sogar mit zwei Photonen der "vierfachen Wellenlänge" !?
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(Mitteilung) Reaktion unnötig  | | Datum: | 09:19 Mi 11.06.2014 | | Autor: | chrisno |
Dein Problem ist, dass Du in Welle/Teilchen denkst. Damit wirst Du immer Probleme haben.
Wellen und Teilchen sind Krücken, die man geschickt einsetzt um Vorhersagen zu der Wahrscheinlichkeit einer Beobachtung zu machen. Du benutzt sie als etwas anschaulich Reales. Vergiss dies.
Ich habe die Methode, den Ausgang des Experiments vorherzusagen, aufgeschrieben.
Du rechnest selbst: Wahrscheinlichkeit Null für ein Photon im Detektor. fertig.
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..OK, ich gebe mich jetzt mal damit zufrieden. Aber so richtig "logisch" erscheint mir das ganze nicht. Vielmehr wirken solche physikalischen Ausführungen autoritär auf mich. "Denke/Nachvollziehe nicht, sondern glaube und gehorche." Dies ergibt Probleme für die souveränen, kreativen und freien Denker, die wir ja eigentlich in der Physik gebrauchen können...
Man begeht die Gefahr, dass diese sich von unserer "Wissenschaft" abwenden oder ist (zumindest) die Quantenmechanik doch eher eine Religion?
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(Mitteilung) Reaktion unnötig | | Datum: | 20:42 Mi 11.06.2014 | | Autor: | chrisno |
Das autoritäre entsteht aber nur dadurch, dass Du den Weg nicht selbst gegangen bist. Wenn Dir es gelingt, eine bessere Beschreibung zu finden: herzlichen Glückwunsch.
So stellst Du fest, dass es ein Problem gibt, scheinst aber nicht bereit zu sein, das Kernproblem anzugehen: Die Begriffe aus der makroskopischen Welt können nicht einfach auf die mikroskopische Welt übertragen werden. Sie müssen hinterfragt und im Wesentlichen aufgegeben werden. Das ist ein Teil des Erkenntnisgewinns der mit der Quantenmechanik einhergeht.
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..sorry, falls ich aggressiv in meiner Antwort war, es war nicht meine Absicht, Dir unfreundlich und undankbar zu kommen.. ich habe in den letzten Jahren, Schule, Studium und nun Lehrtätigkeit eine Hass-Liebe zur Physik aufgebaut.
Es gibt meinem Verständnis nach viele Unklarheiten in anerkannten Lehrwerken. Viele dieser Widersprüche habe ich hier schon diskutiert (etwa "Warum stürzt das Elektron nicht den Atomkern?"). Meist wurde der Theorie recht gegeben mit der Begründung, dass ein bestimmter Grundsatz zu akzeptieren sei. Als hilfreich empfinde ich diese Hinweise jedoch nicht und meine Schüler schon gar nicht, eher als demütigend - man durchdringt eine Theorie, nur noch ein entscheidenes Puzzleteil fehlt, eine Spannung baut sich auf... nur um dann wie nasser Lappen zusammenzufallen.
Ich habe trotzdem nie aufgegeben, aber wahrscheinlich eher WEIL ich mich darüber aufrege und beweisen will, dass man es doch besser erklären kann als "das ist halt so"..
..ich kauf mir jetzt erst einmal ein Quantenmechanikbuch..
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(Mitteilung) Reaktion unnötig | | Datum: | 23:00 Mi 11.06.2014 | | Autor: | chrisno |
Das Problem, das Du beschreibst, kann ich gut verstehen. Du musst sorgfältig suchen, bis Du ein Dir passendes Buch findest. Die Diskussion, wie die Quantenmechanik zu verstehen ist, ist in der Wissenschaft noch lange nicht abgeschlossen. Berühmt ist auch der Ausspruch von Richard Feynman, dass er die Quantenmechanik nicht verstanden habe. Einstein hat die statistische Interpretation ewig gestört (Gott würfelt nicht). Du befindest dich also nicht in schlechter Gesellschaft.
Ich sehe den Sinn des Unterrichts in Quantenmechanik an allgemeinbildenden Schulen auch darin, die erkenntnistheoretischen Einsichten zu diskutieren.
Ich sehe die Antwort auch nicht als "das ist halt so", sondern als "besser bekommen wir es nicht zu fassen".
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(Antwort) fertig | | Datum: | 21:10 Do 12.06.2014 | | Autor: | leduart |
Hallo
die QM macht klar, das Photon! als Teilchen ist ein manchmel nützliches Bild, aber eben nur für manche experimente, andere sagen Licht ist eine Welle. Keines der beiden bilder ist richtig, wenn man sich als kleine Tielchen Erbsen oder Sandkörner denkt, die auf festen Bahnen fliegen oder als Wellen, wie etwa Wasser oder Schallwellen, Diese Vorstellungen aus der mechanischen Welt prägen erstmal das physikalische Weltbild der Schöler, dann ist es schwer, ihnen klar zu machen, dass all das so einfach im mikroskopischen nicht mehr funktioniert. man kann aber deinen Michelson Versuch -ich kenn ihn nur mit dem Doppelspalt- machen, also einen Doppelspalt und nur 1 Photon(s das darauf fällt.
dann sagt das Ergebnis direkt, jedes Phiton fliegt durch einen der Spalte, ein Interferezmuster ergibt sich erst sehr langsam , nachdem man lange genug gewartet hat. Auf dem Schirm oder Sensor baut sich ganz langsam, Punkt für Punkt, das Interferenzmuster auf.
Und nun kann man ja ein Experiment nicht anzweifeln. Für Schüler in der Umgebung von Bonn etwa, bietet das physikalische Institut diesen Versuch an,
wie bei jedem Zufallsversuch kann man nie vorhersagen, durch welchen der 2 Spalte, das nächste fliegt.
Wie machst du denn deinen S. die Unschärferelation "anschaulich" klar.
Was man irgendwann verinnerlichen muss ist dass es nicht eine Teilchen, nicht eine Welle sondern ein "Quant" ist, für das andere Gesetze gelten. Früher sprach man vom Welle-Teilchen Dualismus, was aber die völlig andere Physik der "Quanten" verschleiert.
QM ist erst dann ein klein wenig "anschaulich" wenn man ne Menge Mathe verinnerlicht hat.
Für die Schule bleibt der Ausweg, festzustellen, bei welchen Versuchen ein Quant wie ein Teilchen antwortet (Fotoeffekt, Comptoneffekt) und wann als Welle (Interferenzversuche mit vielen Quanten. ein einzelnes Lichtquant kann man nicht als Welle hinschreiben, zur Not als sehr kurzes Wellenpaket,
Gruß leduart
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