Kapitel 2
Seltsame Quantenwelt

2  Licht besteht aus Teilchen

Zusammenfassung des Buchkapitels:

In Kapitel 1.3 hatten wir den Photoeffekt kennengelernt: Licht kann einzelne Elektronen aus einer Alkalimetalloberfläche herausschlagen. Je kürzer die Lichtwellenlänge dabei ist, umso mehr Schlagkraft hat es dabei. Das kann man mit Licht als elektromagnetischer Welle nicht erklären. Wenn aber Licht ein Strom kleiner Lichtteilchen (Photonen) ist, so gelingt die Erklärung. Dabei gilt:

1. Je heller das Licht ist, umso mehr Photonen sind vorhanden.

2. Je kürzer die Lichtwellenlänge ist, umso mehr Energie und Impuls haben die einzelnen Photonen.

Tatsächlich kann man beispielsweise mit einem Photomultiplier direkt zeigen, dass Licht wirklich aus Teilchen besteht. Es sind etwa 5 bis 6 Photonen notwendig, um eine Nervenzelle auf unserer Netzhaut zu aktivieren. Jedes hinreichend empfindliche Instrument zeigt, dass Licht aus Teilchen besteht!

Aber wie verträgt sich das mit der Wellennatur des Lichtes, die sich beispielsweise in Interferenzexperimenten zeigt? Wie bei den Elektronen in der Atomhülle liegt auch beim Licht die Lösung darin, dass Newtons Bewegungsgesetze für Elektronen und Licht im Kleinen nicht mehr gelten.

Zusatzinformationen:

Zur Empfindlichkeit des Auges habe ich folgende Quellen gefunden:

• In Wikipedia: Stäbchen (Auge) findet man die folgende Angabe zu Stäbchen-Sinneszellen:
  "Bereits ein einzelnes absorbiertes Photon führt nach einer Reihe von intrazellulären Prozessen zu einer Membranspannungsänderung von etwa 1 mV. Zapfen benötigen hingegen eine wesentlich größere Photonenanzahl (mindestens etwa 200) um ein verlässliches Lichtsignal an die nachgeschalteten Zellen weiterzuleiten."

• In Can a Human See a Single Photon? (Original by Philip Gibbs 1996) steht:
  "The human eye is very sensitive but can we see a single photon? The answer is that the sensors in the retina can respond to a single photon. However, neural filters only allow a signal to pass to the brain to trigger a conscious response when at least about five to nine arrive within less than 100 ms. If we could consciously see single photons we would experience too much visual "noise" in very low light, so this filter is a necessary adaptation, not a weakness."

Literatur:

• YouTube-Video: Harald Lesch: Die Physik Albert Einsteins: Der Photoeffekt – Harald Lesch erklärt den Photoeffekt, der dazu führte, dass Albert Einstein die Hypothese aufstellte, Licht bestehe aus Teilchen (Photonen, Lichtquanten). Dabei wird der Photoeffekt auch experimentell vorgeführt.

• YouTube-Video: Feynman on Wave Particle Duality (QED Lecture in New Zealand) – Ist Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie nicht einfach nur eine übliche Wellentheorie, analog zu elektromagnetischen Wellen? Feynman erklärt hier den Unterschied: Bei einem einzigen Teilchen hat man es tatsächlich mit Wellen zu tun, aber diese Wellen werden in der Quantentheorie nicht analog zu elektrischen Feldern interpretiert, sondern als Wahrscheinlichkeitsamplituden für Teilchen. Die Interpretation macht den Unterschied; der Photoeffekt ist anders nicht zu verstehen. Bei zwei oder mehr Teilchen hängen diese Wahrscheinlichkeitsamplituden zudem von den Aufenthaltsorten mehrerer Teilchen ab, während eine Welle nur von einem Ort abhängt, denn sie ordnet jedem Ort eine Wellenamplitude zu.