Geschwindigkeit einzelner Photonen in Medien

[Snusmumriken]

Ich hab's ja oben schon beschrieben. Bei schwachen Feldern erklärt sich die geringere Geschwindigkeit der Lichtwelle im Medium durch eine Polarisierbarkeit des Mediums. Das ist kein Effekt von Absorption von einzelnen Photonen sondern eine direkte Wechselwirkung der schwachen elektromagnetischen Feldes mit den polarisierbaren Atomen im Festkörper.

Die Photonen sind in einer ausgedehnten Welle nicht lokalisiert. Selbst wenn also die inverse lineare Photonendichte kleiner ist als die Wellenlänge, ist die Welle immer noch wohl definiert.

Gruß,
Snus

[973]

Jaja das sag ich ja die ganze Zeit. Es gibt das Oszillator-Modell, am weitesten verbreitet, und auch noch das Absorbtions-induziert-Reemissions-Modell. Aber beide funktionieren eben nicht bei kleinen Intensitäten oder gar einzelnen Photonen, im letztgenannten Grenzfall sind sie sogar total sinnlos (da beim einzelnen Photon was nicht zerfließt alle Geschwindigkeiten gleich sein sollten, und jedenfalls mit Erklärungen durch die ED auch = c). Genau darum ging es hier seit Anfang an.

Also wie kann man die faktisch beobachtete Brechung und geringere Geschwindigkeit von schwachem Licht oder einzelnen Photonen erklaren ??

[Snusmumriken]

Hi 973,

du solltest dir das Photon nicht als klassisches Punktteilchen vorstellen. Das Photon ist das Quant einer Welle. Wenn wir uns nun eine monochromatische Welle im sichtbaren Spektralbereich denken, so kann diese Welle nicht aus einem einzelnen Photon bestehen. Sie besteht aus einer undefinierten Anzahl von Photonen. Bekannt ist die Wellenlänge und die Amplitude. Die Amplitude gibt zugleich (durch ihr Betragsquadrat) die Wahrscheinlichkeit an, ein Photon zu detektieren. Diese Wahrscheindlichkeit kann so klein sein, dass es praktisch undenkbar wird, zwei oder mehr Photonen zugleich zu detektieren. Dennoch bleibt die Welle eine Welle und die Photonen, zu denen diese Welle quantisiert werden kann, sind zu keiner Zeit lokalisiert.

[973]

Man muß Versuchsanordnungen suchen, bei denen der Effekt groß ist, also großer Anzahl von Wechselwirkungen pro Weg oder relativ (was sich hier durch n-1 äußert, entsprechend der 'Verzögerung Anzahl Wellenlängen pro Wellenlänge'). Das ist bei Licht in Materie mit deutlich kleinerem Molekül-Abstand als der Wellenlänge der Fall, da dann fast ueber jede einzelne 'Schwingung' eine Wechselwirkung auftritt bzw als solche zusammengefaßt werden kann, und der Effekt als eine deutliche Verringerung der Geschwindigkeit und Brechung erscheint. Bei kurzen Wellenlängen bzw weiteren Molekülabständen geht das Licht praktisch im Vakuum durch, treten nur sehr wenig Wechselwirkungen pro Welle auf, ist der Effekt also kaum als Brechung oder geringere Geschwindigkeit beobachtbar, und sind fast nur Beugungen an den Kernen zu sehen bei ausreichender Intensität / Anzahl der Photonen (zBsp Debie-Scherrer-Versuch).

Im ersten Fall erklären die gängigen Theorien (egal ob Oszillator, oder ob Absorption/ induzierte Reemission) aber offensichtlich nicht die geringere Geschwindigkeit (wobei beim einzelnen Photon auch keine G.en zu unterscheiden sind da es nicht auseinanderfließt) und Brechung, wie bei kleinen Intensitäten bzw einzelnen Photonen sichtbar. Daher meine Frage, ob es dafür noch weitere 'normale' Erklärungen / Theorien gibt, die ich vielleicht nicht kenne.

[Peonera]

Snus, ich habe den Eindruck, dass Du da etwas durcheinanderbringst:

Dinge wie Polarisierbarkeit, Brechungsindex beim Durchgang einer Lichtwelle durch Festkörper werden in der Regel mit Hilfe der klassischen Elektrodynamik beschrieben. In der klassischen Elektrodynamik gibt es keine Photonen und auch keine Absorption oder Emission von Photonen, höchstens eine Absorption und Emission von elektromagnetischen Wellen.

In der Quantenelektrodynamik hingegen wird JEDE Wechselwirkung zwischen Materie und elektromagnetischem Feld mittels Absorption und Emission b.z.w. dem Austausch von Photonen beschrieben (siehe Feynman Diagramme, Störungsreihe). Meist handelt es sich dabei um virtuelle Photonen. Man kann sich natürlich darüber streiten, inwiefern solchen virtuellen Photonen eine Realität zugesprochen werden kann. Und man kann sich darüber streiten, ob man die Worte Absorption und Emission für virtuelle Photonen verwenden soll. Auf der anderen Seite: Wo liegt der Unterschied zwischen einem Absorption/Emission von „normalen“ und dem Austausch von virtuellen Photonen in der QED? Die Vertices sind immer dieselben, die Erzeugungs und Vernichtungsoperatoren, mit denen ich in der Theorie arbeite, auch.

Meist arbeitet man mit einer Art Mischmasch aus klassischem Modell und/oder quantenmechanischen Modell und quantenelektrodynamischen Modell. Es wäre nämlich viel zu kompliziert, ja gar unmöglich alles quantenelektrodynamisch berechnen zu wollen (obwohl die QED die aktuelle Theorie des EM Feldes ist). Einfachstes Beispiel: Das Atommodell (oder auch den von Dir erwähnten Stark Effekt). Eigentlich müsste ich den ständigen Austausch von virtuellen Photonen zwischen Elektronen und den Protonen im Kern berücksichtigen. Die Störungsreihe, die diese Austauschvorgänge beschreibt, lässt sich nur bis zu niedrigen Ordnungen auswerten. Doch mit den Näherungen der Quantenmechanik komme ich ganz gut auf die Energieniveaus der Elektronen, auch ohne den Austausch virtueller Photonen zu berücksichtigen. Bei einigen Energieverschiebungen benötige ich aber dann doch Quantenelektrodynamik, um sie zu verstehen (Stichwort: Lambshift).
Wenn ich Licht geringer Frequenz einstrahle auf Atome b.z.w Materie, reicht mir klassische Elektrodynamik und vielleicht etwas QM, um zu erklären, was ich sehe (Stichworte: Polarisierbarkeit, Brechung; Reflexion etc).
Wenn das Licht hinreichende Frequenz hat, um Elektronen auf höhere "Bahnen" zu heben, dann "muss" ich die Absorption und Emission von Photonen berücksichtigen. Denn klassisch kann ich die Phänomene, die ich sehe, nicht mehr beschreiben.
Wenn ich nun von vornherein einzelne Photonen betrachten will, kann ich das nur quantenelektrodynamisch tun, das heißt mittels Absorption und Emission von Photonen b.z.w dem Austausch virtueller Photonen. Denn die klassische EM kennt keine Photonen.

[973]

Ich würde sehr gerne mehr zu der Fragestellung hören. Wie im Eingangspost steht, habe ich dazu zwar eine eigene Meinung, aber es muß immer sehr sorgfältig ausgelotet und ggf ausgeschlossen werden, welche sonstigen Erklärungen bestehen.

Aus den eingangs und oben genannten Gründen scheint die allerdings beobachtete Brechung und geringere Geschwindigkeit bei geringer Intensität weder durch Absorption/Reemission, noch elektrodynamisch erklärbar zu sein. Aber vielleicht gibt es Einzelheiten die ich noch nicht kenne.

Was quantenphysikalische Effekte im Allgemeinen angeht, so sieht es zunehmend danach aus, das viele davon durch die Hinzunahme ganzzahliger Wirkung ins Bogenelement und Folgen daraus (wie, triviale Bedingungen die sich daraus ebenfalls diskretisiert für die Intervalle in den anderen Dimensionen Raum und Zeit ergeben) erklärt werden können, zBsp Wellenerscheinungen und Beugung überhaupt. Wahrscheinlich wird man, wenn obige beiden Möglichkeiten ausscheiden, nach einer quantenphysikalischen Erklärung geringerer Geschwindigkeit von Photonen in Medien suchen müssen, was dann direkt oder indirekt durch den Zusatz ganzzahliger Wirkung im Bogen gleichwertig erklärbar sein sollte. Ich vermute aber, daß kein dauernder Identitätswechsel des Photons (Absorption / Reemission) angenommen werden muß, sondern wie zBsp bei einmaliger Beugung lediglich die Produktion eines Faktums/einer Wirkung dieses Ereignis, was dann zur Kompensierung mit einem Zurückbleiben um eine Frequenz einhergeht. Klassisch also 'teilchenartig' betrachtet wäre zBsp im Fall eines Verzögerns der Eigenzeit wegen einem Ereignis 'Wechselwirkung', die Beugung dann durch die restlichen Raum-Eigenschaften also relativistisch zu erwarten (in sehr entfernter Analogie zur Lichtablenkung bei Planeten)

[Snusmumriken]

[973]

Nach Sommerfeld (und wie eigentlich anzunehmen da mit der ED keine Änderung der LG erklärbar ist) funktioniert das Oszillator-Modell bei geringer Intensität aber nicht, weil einfach das Material erst anfängt (und gleich wieder aufhört) zu oszillieren wenn das Photon schon vorbei ist. Sonst findet man aber nichts mehr an Theorien. Bei den hinzuzunehmenden Quanteneffekten wäre es nun interessant genauer zu wissen, wie diese zur Erklärung formuliert werden. Es wäre dann zu überprüfen, ob und inwieweit diese (implizit oder explizit) äquivalente Ergebnisse erzeugen wie eine Hinzunahme der Wirkung in den Bogen (die die Verzögerung erklärt).

[Snusmumriken]