Photonen - Photon

Photon
LASER.jpg
Photonen werden in gefädelten Laserstrahlen emittiert
Komposition Elementarteilchen
Statistiken Bosonic
Familie Messboson
Interaktionen Elektromagnetisch , schwach , Schwerkraft
Symbol γ
Theoretisiert Albert Einstein (1905)
Der Name "Photon" wird allgemein Gilbert N. Lewis (1926) zugeschrieben.
Masse 0 (theoretischer Wert)
<1 × 10 −18  eV/ c 2 (experimentelle Grenze)
Mittlere Lebensdauer Stabil
Elektrische Ladung 0
<1 × 10 −35  e
Drehen 1
Parität -1
C-Parität -1
Kondensiert Ich ( J P C )=0,1(1 −− )

Das Photon ( griechisch : φῶς , phōs, Licht) ist eine Art Elementarteilchen . Es ist das Quantum des elektromagnetischen Feldes einschließlich elektromagnetischer Strahlung wie Licht und Radiowellen und der Kraftträger für die elektromagnetische Kraft . Photonen sind masselos , bewegen sich also im Vakuum immer mit Lichtgeschwindigkeit .299 792 458  m/s (oder etwa 186.282 Meilen/s). Das Photon gehört zur Klasse der Bosonen .

Wie alle Elementarteilchen werden Photonen derzeit am besten durch die Quantenmechanik erklärt und weisen einen Welle-Teilchen-Dualismus auf , wobei ihr Verhalten sowohl Eigenschaften von Wellen als auch von Teilchen aufweist . Das moderne Photonenkonzept entstand in den ersten beiden Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts mit der Arbeit von Albert Einstein , der auf der Forschung von Max Planck aufbaute . Bei dem Versuch zu erklären, wie Materie und elektromagnetische Strahlung im thermischen Gleichgewicht zueinander stehen könnten , schlug Planck vor, dass die in einem materiellen Objekt gespeicherte Energie als aus einer ganzen Zahl diskreter, gleich großer Teile zusammengesetzt betrachtet werden sollte. Um den photoelektrischen Effekt zu erklären , führte Einstein die Idee ein, dass Licht selbst aus diskreten Energieeinheiten besteht. 1926 machte Gilbert N. Lewis den Begriff Photon für diese Energieeinheiten populär . Anschließend bestätigten viele andere Experimente Einsteins Ansatz.

Im Standardmodell der Teilchenphysik werden Photonen und andere Elementarteilchen als notwendige Folge physikalischer Gesetze beschrieben, die an jedem Punkt der Raumzeit eine gewisse Symmetrie aufweisen . Die intrinsischen Eigenschaften von Teilchen, wie Ladung , Masse und Spin , werden durch diese Eichsymmetrie bestimmt . Das Photonenkonzept hat zu bedeutenden Fortschritten in der experimentellen und theoretischen Physik geführt, darunter Laser , Bose-Einstein-Kondensation , Quantenfeldtheorie und die probabilistische Interpretation der Quantenmechanik. Es wurde in der Photochemie , der hochauflösenden Mikroskopie und der Messung molekularer Abstände angewendet . In letzter Zeit wurden Photonen als Elemente von Quantencomputern und für Anwendungen in der optischen Bildgebung und optischen Kommunikation wie der Quantenkryptographie untersucht .

Nomenklatur

Photoelektrischer Effekt : die Emission von Elektronen von einer Metallplatte durch Lichtquanten – Photonen.
Brief von Gilbert N. Lewis von 1926, der das Wort "Photon" in den allgemeinen Sprachgebrauch brachte

Das Wort Quanten (Singular Quantum, lateinisch für wie viel ) wurde vor 1900 verwendet, um Teilchen oder Mengen unterschiedlicher Mengen , einschließlich Elektrizität, zu bezeichnen . Im Jahr 1900 untersuchte der deutsche Physiker Max Planck die Schwarzkörperstrahlung und schlug vor, die experimentellen Beobachtungen, insbesondere bei kürzeren Wellenlängen , zu erklären, wenn die in einem Molekül gespeicherte Energie eine "diskrete Größe aus einer ganzen Zahl endlicher gleichen Teilen", die er "Energieelemente" nannte. Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein eine Veröffentlichung, in der er vorschlug, dass viele lichtbezogene Phänomene – einschließlich der Schwarzkörperstrahlung und des photoelektrischen Effekts – besser durch die Modellierung elektromagnetischer Wellen als aus räumlich lokalisierten, diskreten Wellenpaketen bestehend erklärt werden könnten. Er nannte ein solches Wellenpaket das Lichtquant (deutsch: das Lichtquant ).

Der Name Photon leitet sich vom griechischen Wort für Licht, φῶς (transliteriert phôs ) ab. Arthur Compton verwendete Photon im Jahr 1928 und bezog sich dabei auf Gilbert N. Lewis , der den Begriff in einem Brief an Nature am 18. Dezember 1926 prägte . Der gleiche Name wurde früher verwendet, aber vor Lewis nie weit verbreitet: 1916 von dem amerikanischen Physiker und Psychologen Leonard T. Troland , 1921 vom irischen Physiker John Joly , 1924 vom französischen Physiologen René Wurmser (1890–1993) und 1926 vom französischen Physiker Frithiof Wolfers (1891–1971). Der Name wurde zunächst als Einheit im Zusammenhang mit der Beleuchtung des Auges und der daraus resultierenden Lichtempfindung vorgeschlagen und später in einem physiologischen Kontext verwendet. Obwohl die Theorien von Wolfers und Lewis von vielen Experimenten widerlegt und nie akzeptiert wurden, wurde der neue Name sehr bald von den meisten Physikern angenommen, nachdem Compton ihn verwendet hatte.

In der Physik wird ein Photon normalerweise mit dem Symbol γ ( griechischer Buchstabe gamma ) bezeichnet. Dieses Symbol für das Photon stammt wahrscheinlich von Gammastrahlen , die 1900 von Paul Villard entdeckt , 1903 von Ernest Rutherford benannt und 1914 von Rutherford und Edward Andrade als eine Form elektromagnetischer Strahlung nachgewiesen wurden . In der Chemie und Optik werden Photonen normalerweise durch symbolisiert , die Photonenenergie , wobei h die Planck-Konstante und der griechische Buchstabe ν ( nu ) die Frequenz des Photons ist . Viel seltener kann das Photon durch hf symbolisiert werden , wobei seine Frequenz mit f bezeichnet wird .

Physikalische Eigenschaften

Ein Photon ist masselos , hat keine elektrische Ladung und ist ein stabiles Teilchen . Im Vakuum hat ein Photon zwei mögliche Polarisationszustände . Das Photon ist das Eichboson für Elektromagnetismus , und daher sind alle anderen Quantenzahlen des Photons (wie Leptonenzahl , Baryonenzahl und Flavour-Quantenzahlen ) null. Außerdem gehorcht das Photon nicht dem Pauli-Ausschlussprinzip , sondern der Bose-Einstein-Statistik .

Photonen werden bei vielen natürlichen Prozessen emittiert. Wenn beispielsweise eine Ladung beschleunigt wird , sendet sie Synchrotronstrahlung aus . Während eines molekularen , atomaren oder nuklearen Übergangs zu einem niedrigeren Energieniveau werden Photonen unterschiedlicher Energie emittiert, die von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen reichen . Photonen können auch ausgegeben werden , wenn ein Teilchen und ihre entsprechende antiparticle werden vernichtet (zB Elektron-Positron - Annihilation ).

Relativistische Energie und Impuls

Der Kegel zeigt mögliche Werte des Wellen-4-Vektors eines Photons. Die "Zeit"-Achse gibt die Kreisfrequenz ( rad⋅s −1 ) an und die "Raum"-Achse repräsentiert die Winkelwellenzahl (rad⋅m −1 ). Grün und Indigo stehen für linke und rechte Polarisation

Im leeren Raum bewegt sich das Photon mit c ( Lichtgeschwindigkeit ) und seine Energie und sein Impuls stehen in Beziehung zu E = pc , wobei p der Betrag des Impulsvektors p ist . Dies ergibt sich aus der folgenden relativistischen Beziehung mit m = 0 :

Energie und Impuls eines Photons hängen nur von seiner Frequenz ( ) oder umgekehrt von seiner Wellenlänge ( λ ) ab:

wobei k der Wellenvektor ist (wobei die Wellenzahl k = | k | = 2π/ λ ), ω = 2π ν die Kreisfrequenz ist und ħ = h /2π die reduzierte Planck-Konstante ist .

Da p in Richtung der Photonenausbreitung zeigt, ist der Impulsbetrag

Das Photon trägt auch eine Größe namens Spin-Drehimpuls , die nicht von seiner Frequenz abhängt. Da sich Photonen immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, wird der Spin am besten durch die entlang seiner Bewegungsrichtung gemessene Komponente ausgedrückt , seine Helizität , die entweder + ħ oder −ħ sein muss . Diese beiden möglichen Helizitäten, rechtsgängig und linksgängig genannt, entsprechen den beiden möglichen zirkularen Polarisationszuständen des Photons.

Um die Bedeutung dieser Formeln zu verdeutlichen, muss die Vernichtung eines Teilchens mit seinem Antiteilchen im freien Raum aus folgendem Grund zur Entstehung von mindestens zwei Photonen führen. Im Zentrum des Impulsrahmens haben die kollidierenden Antiteilchen keinen Nettoimpuls, während ein einzelnes Photon immer Impuls hat (da es, wie wir gesehen haben, durch die Frequenz oder Wellenlänge des Photons bestimmt wird, die nicht Null sein kann). Daher erfordert die Impulserhaltung (oder äquivalent die Translationsinvarianz ), dass mindestens zwei Photonen mit einem Nettoimpuls von Null erzeugt werden. (Allerdings ist es möglich, wenn das System mit einem anderen Teilchen oder Feld für die Annihilation interagiert, um ein Photon zu erzeugen, denn wenn ein Positron mit einem gebundenen Atomelektron vernichtet, kann nur ein Photon emittiert werden, da das nukleare Coulomb-Feld bricht die Translationssymmetrie.) Die Energie der beiden Photonen, oder äquivalent ihre Frequenz, kann aus der Erhaltung des Viererimpulses bestimmt werden .

Anders gesehen kann das Photon als sein eigenes Antiteilchen betrachtet werden (ein "Antiphoton" ist also einfach ein normales Photon). Der umgekehrte Prozess, die Paarbildung , ist der vorherrschende Mechanismus, durch den hochenergetische Photonen wie Gammastrahlen beim Durchgang durch Materie Energie verlieren. Dieser Prozess ist die Umkehrung der im elektrischen Feld eines Atomkerns erlaubten "Annihilation auf ein Photon".

Die klassischen Formeln für Energie und Impuls elektromagnetischer Strahlung können in Form von Photonenereignissen neu ausgedrückt werden. Zum Beispiel leitet sich der Druck elektromagnetischer Strahlung auf ein Objekt von der Übertragung des Photonenimpulses pro Zeit- und Flächeneinheit auf dieses Objekt ab, da Druck eine Kraft pro Flächeneinheit und Kraft die Impulsänderung pro Zeiteinheit ist.

Jedes Photon trägt zwei verschiedene und unabhängige Formen des Drehimpulses des Lichts . Der Spin-Drehimpuls des Lichts eines bestimmten Photons ist immer entweder + ħ oder − ħ . Der Lichtbahndrehimpuls eines bestimmten Photons kann jede ganze Zahl N sein , einschließlich Null.

Experimentelle Überprüfungen der Photonenmasse

Aktuelle allgemein akzeptierte physikalische Theorien implizieren oder gehen davon aus, dass das Photon streng masselos ist. Wenn das Photon kein streng masseloses Teilchen ist, würde es sich im Vakuum nicht mit der exakten Lichtgeschwindigkeit c bewegen . Seine Geschwindigkeit wäre geringer und von seiner Frequenz abhängig. Die Relativität wäre davon unberührt; die sogenannte Lichtgeschwindigkeit c wäre dann nicht die tatsächliche Geschwindigkeit, mit der sich das Licht bewegt, sondern eine Naturkonstante, die die Obergrenze der Geschwindigkeit darstellt, die jedes Objekt in der Raumzeit theoretisch erreichen könnte. Es wäre also immer noch die Geschwindigkeit von Raumzeitwellen ( Gravitationswellen und Gravitonen ), aber nicht die Geschwindigkeit von Photonen.

Wenn ein Photon eine Masse ungleich Null hätte, würde es auch andere Effekte geben. Das Coulombsche Gesetz würde modifiziert und das elektromagnetische Feld hätte einen zusätzlichen physikalischen Freiheitsgrad . Diese Effekte liefern empfindlichere experimentelle Sonden der Photonenmasse als die Frequenzabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit. Wenn das Coulomb-Gesetz nicht genau gültig ist, würde dies das Vorhandensein eines elektrischen Felds innerhalb eines Hohlleiters ermöglichen, wenn er einem externen elektrischen Feld ausgesetzt wird. Dies bietet ein Mittel für sehr genaue Tests des Coulomb-Gesetzes . Ein Nullergebnis eines solchen Experiments hat einen Grenzwert von m10 −14  eV/ c 2 .

Schärfere Obergrenzen für die Lichtmasse wurden in Experimenten ermittelt , die darauf abzielten , durch das galaktische Vektorpotential verursachte Effekte nachzuweisen . Obwohl das galaktische Vektorpotential sehr groß ist, weil das galaktische Magnetfeld auf sehr großen Längenskalen existiert, wäre nur das Magnetfeld beobachtbar, wenn das Photon masselos ist. Für den Fall, dass das Photon eine Masse hat, ist der Massenterm1/2m 2 A μ A μ würde das galaktische Plasma beeinflussen. Die Tatsache, dass keine solchen Effekte beobachtet werden, impliziert eine obere Schranke für die Photonenmasse von m <3 × 10 –27  eV/ c 2 . Das galaktische Vektorpotential kann auch direkt durch Messen des auf einen magnetisierten Ring ausgeübten Drehmoments untersucht werden. Solche Methoden wurden verwendet, um die schärfere Obergrenze von . zu erhalten1,07 × 10 −27  eV/ c 2 (das Äquivalent von10 −36  Dalton ) angegeben von der Particle Data Group .

Es hat sich gezeigt, dass diese scharfen Grenzen aus der Nicht-Beobachtung der durch das galaktische Vektorpotential verursachten Effekte modellabhängig sind. Wird die Photonenmasse über den Higgs-Mechanismus erzeugt, dann ist die Obergrenze von m10 −14  eV/ c 2 aus dem Test des Coulombschen Gesetzes gilt.

Historische Entwicklung

Das Doppelspaltexperiment von Thomas Young im Jahr 1801 zeigte, dass Licht als Welle wirken kann , was dazu beiträgt, frühe Teilchentheorien des Lichts zu entkräften .

In den meisten Theorien bis zum 18. Jahrhundert wurde Licht als aus Teilchen bestehend dargestellt. Da Teilchenmodelle die Brechung , Beugung und Doppelbrechung des Lichts nicht ohne weiteres erklären können, wurden von René Descartes (1637), Robert Hooke (1665) und Christiaan Huygens (1678) Wellentheorien des Lichts vorgeschlagen ; Teilchenmodelle blieben jedoch vorherrschend, hauptsächlich aufgrund des Einflusses von Isaac Newton . Im frühen 19. Jahrhundert demonstrierten Thomas Young und August Fresnel deutlich die Interferenz und Beugung von Licht, und um 1850 wurden Wellenmodelle allgemein akzeptiert. James Clerk Maxwells Vorhersage von 1865 , dass Licht eine elektromagnetische Welle sei – die 1888 experimentell durch Heinrich Hertz ’ Entdeckung von Radiowellen bestätigt wurde – schien der letzte Schlag für Teilchenmodelle des Lichts zu sein.

1900 schien Maxwells theoretisches Modell des Lichts als oszillierende elektrische und magnetische Felder vollständig zu sein. Einige Beobachtungen konnten jedoch durch kein Wellenmodell elektromagnetischer Strahlung erklärt werden , was zu der Idee führte, dass Lichtenergie in Quanten verpackt wurde, die durch E = hν beschrieben werden . Spätere Experimente zeigten, dass diese Lichtquanten auch Impuls tragen und daher als Teilchen angesehen werden können : Das Photonenkonzept war geboren, was zu einem tieferen Verständnis der elektrischen und magnetischen Felder selbst führte.

Die Maxwell-Wellentheorie berücksichtigt jedoch nicht alle Eigenschaften des Lichts. Die Maxwell-Theorie sagt voraus, dass die Energie einer Lichtwelle nur von ihrer Intensität abhängt , nicht von ihrer Frequenz ; Dennoch zeigen mehrere unabhängige Arten von Experimenten, dass die Energie, die das Licht den Atomen verleiht, nur von der Frequenz des Lichts abhängt, nicht von seiner Intensität. Zum Beispiel werden einige chemische Reaktionen nur durch Licht mit einer Frequenz über einer bestimmten Schwelle ausgelöst ; Licht mit einer Frequenz unterhalb der Schwelle, egal wie intensiv, löst die Reaktion nicht aus. In ähnlicher Weise können Elektronen aus einer Metallplatte herausgeschleudert werden, indem man sie mit Licht ausreichend hoher Frequenz bestrahlt (der photoelektrische Effekt ); die Energie des ausgestoßenen Elektrons hängt nur von der Frequenz des Lichts ab, nicht von seiner Intensität.

Gleichzeitig gipfelten Untersuchungen verschiedener Forscher zur Schwarzkörperstrahlung über vier Jahrzehnte (1860–1900) in der Max-Planck - Hypothese, dass die Energie jedes Systems, das elektromagnetische Strahlung der Frequenz ν absorbiert oder emittiert, ein ganzzahliges Vielfaches ist eines Energiequants E = . Wie durch gezeigt Albert Einstein , irgendeine Form von Energie Quantisierung muß zwischen Materie und beobachtete für das thermische Gleichgewicht zu Konto ausgegangen werden , elektromagnetischer Strahlung ; für diese Erklärung des photoelektrischen Effekts erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik.

Da die Maxwell-Theorie des Lichts alle möglichen Energien elektromagnetischer Strahlung berücksichtigt, nahmen die meisten Physiker zunächst an, dass die Energiequantisierung aus einer unbekannten Beschränkung der Materie resultiert, die die Strahlung absorbiert oder emittiert. 1905 war Einstein der erste, der behauptete, dass die Energiequantisierung eine Eigenschaft der elektromagnetischen Strahlung selbst sei. Obwohl er die Gültigkeit von Maxwells Theorie akzeptierte, wies Einstein darauf hin, dass viele anomale Experimente erklärt werden könnten, wenn die Energie einer Maxwellschen Lichtwelle in punktförmige Quanten lokalisiert würde, die sich unabhängig voneinander bewegen, selbst wenn die Welle selbst kontinuierlich über die Platz. In den Jahren 1909 und 1916 zeigte Einstein, dass die Energiequanten bei Annahme des Planckschen Gesetzes über die Strahlung schwarzer Körper auch den Impuls p = h / λ tragen müssen , was sie zu vollwertigen Teilchen macht. Dieser Photonenimpuls wurde von Arthur Compton experimentell beobachtet , wofür er 1927 den Nobelpreis erhielt. Die entscheidende Frage lautete damals: Wie lässt sich Maxwells Wellentheorie des Lichts mit ihrer experimentell beobachteten Teilchennatur vereinen? Die Antwort auf diese Frage beschäftigte Albert Einstein für den Rest seines Lebens und wurde in der Quantenelektrodynamik und ihrem Nachfolger, dem Standardmodell, gelöst . (Siehe § Zweite Quantisierung und § Als Eichboson weiter unten.)

Bis 1923 zögerten die meisten Physiker, zu akzeptieren, dass Licht selbst quantisiert wurde. Stattdessen versuchten sie, das Photonenverhalten zu erklären, indem sie nur Materie quantisierten , wie im Bohrschen Modell des Wasserstoffatoms (hier gezeigt). Obwohl diese semiklassischen Modelle nur eine erste Näherung waren, waren sie für einfache Systeme genau und führten zur Quantenmechanik .

Einstein 1905 die Prognosen wurden auf verschiedene Weise in den ersten beiden Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts experimentell bestätigt, wie in erzählt Robert Millikan ‚s Nobel - Vortrag. Bevor Comptons Experiment jedoch zeigte, dass Photonen einen Impuls proportional zu ihrer Wellenzahl trugen (1922), zögerten die meisten Physiker zu glauben, dass elektromagnetische Strahlung selbst Partikel sein könnte. (Siehe zum Beispiel die Nobelvorträge von Wien , Planck und Millikan.) Stattdessen gab es eine weit verbreitete Meinung, dass die Energiequantisierung aus einer unbekannten Beschränkung der Materie resultiert, die Strahlung absorbiert oder emittiert. Die Einstellungen haben sich im Laufe der Zeit geändert. Zum Teil kann die Änderung auf Experimente zurückgeführt werden, wie zum Beispiel diejenigen, die Compton-Streuung aufdecken , bei denen es viel schwieriger war, dem Licht selbst keine Quantisierung zuzuschreiben, um die beobachteten Ergebnisse zu erklären.

Auch nach Comptons Experiment unternahmen Niels Bohr , Hendrik Kramers und John Slater einen letzten Versuch, das Maxwellsche kontinuierliche elektromagnetische Feldmodell des Lichts, die sogenannte BKS-Theorie, zu bewahren . Ein wichtiges Merkmal der BKS-Theorie ist die Behandlung der Energieerhaltung und der Impulserhaltung . In der BKS-Theorie bleiben Energie und Impuls nur im Mittel über viele Wechselwirkungen zwischen Materie und Strahlung erhalten. Verfeinerte Compton-Experimente zeigten jedoch, dass die Erhaltungssätze für individuelle Wechselwirkungen gelten. Entsprechend gaben Bohr und seine Mitarbeiter ihrem Modell „eine möglichst ehrenhafte Beerdigung“. Dennoch inspirierten die Fehler des BKS-Modells Werner Heisenberg zu seiner Entwicklung der Matrixmechanik .

Einige Physiker beharrten darauf, semiklassische Modelle zu entwickeln, in denen elektromagnetische Strahlung nicht quantisiert wird, aber Materie den Gesetzen der Quantenmechanik zu gehorchen scheint . Obwohl die Beweise aus chemischen und physikalischen Experimenten für die Existenz von Photonen in den 1970er Jahren überwältigend waren, konnten diese Beweise nicht als absolut endgültig angesehen werden; da sie auf der Wechselwirkung von Licht mit Materie beruhte, und eine hinreichend vollständige Theorie der Materie könnte die Beweise im Prinzip erklären. Dennoch wurden in den 1970er und 1980er Jahren alle semiklassischen Theorien durch Photonenkorrelationsexperimente endgültig widerlegt. Damit gilt Einsteins Hypothese, dass die Quantisierung eine Eigenschaft des Lichts selbst ist, als bewiesen.

Welle-Teilchen-Dualität und Unsicherheitsprinzipien

Photonen in einem Mach-Zehnder-Interferometer zeigen wellenartige Interferenz und teilchenartige Detektion an Einzelphotonen-Detektoren .

Photonen gehorchen den Gesetzen der Quantenmechanik, daher hat ihr Verhalten sowohl wellen- als auch teilchenähnliche Aspekte. Wenn ein Photon von einem Messgerät erfasst wird, wird es als einzelne Partikeleinheit registriert. Die Wahrscheinlichkeit , ein Photon zu entdecken, wird jedoch durch Gleichungen berechnet, die Wellen beschreiben. Diese Kombination von Aspekten wird als Welle-Teilchen-Dualität bezeichnet . Beispielsweise zeigt die Wahrscheinlichkeitsverteilung für den Ort, an dem ein Photon nachgewiesen werden könnte, deutlich wellenartige Phänomene wie Beugung und Interferenz . Ein einzelnes Photon, das ein Doppelspaltexperiment durchläuft, landet auf dem Bildschirm mit einer Wahrscheinlichkeitsverteilung, die durch sein Interferenzmuster gegeben ist, das durch die Maxwell-Gleichungen bestimmt wird . Experimente bestätigen jedoch, dass das Photon kein kurzer Puls elektromagnetischer Strahlung ist; es breitet sich weder aus, wenn es sich ausbreitet, noch teilt es sich, wenn es auf einen Strahlteiler trifft . Vielmehr scheint das Photon ein punktförmiges Teilchen zu sein, da es von beliebig kleinen Systemen als Ganzes absorbiert oder emittiert wird, einschließlich Systemen, die viel kleiner als seine Wellenlänge sind, wie etwa ein Atomkern (≈10 −15 m Durchmesser) oder sogar der punktförmiges Elektron .

Während viele einführende Texte Photonen mit den mathematischen Techniken der nicht-relativistischen Quantenmechanik behandeln, ist dies in gewisser Weise eine unangenehme Vereinfachung, da Photonen von Natur aus relativistisch sind. Da Photonen keine Ruhemasse haben , kann keine für ein Photon definierte Wellenfunktion alle Eigenschaften aufweisen, die von Wellenfunktionen in der nichtrelativistischen Quantenmechanik bekannt sind. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, verwenden Physiker die unten beschriebene zweite quantisierte Theorie der Photonen, die Quantenelektrodynamik , bei der Photonen quantisierte Anregungen elektromagnetischer Moden sind.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, das richtige Analogon für das Unschärfeprinzip zu finden , eine Idee, die häufig Heisenberg zugeschrieben wird, der das Konzept bei der Analyse eines Gedankenexperiments mit einem Elektron und einem hochenergetischen Photon einführte . Heisenberg gab jedoch keine genauen mathematischen Definitionen dafür, was die "Unsicherheit" in diesen Messungen bedeutete. Die genaue mathematische Aussage der Orts-Impuls-Unschärferelation geht auf Kennard , Pauli und Weyl zurück . Das Unsicherheitsprinzip gilt für Situationen, in denen ein Experimentator die Wahl hat, eine von zwei "kanonisch konjugierten" Größen zu messen, wie zum Beispiel den Ort und den Impuls eines Teilchens. Nach dem Messunsicherheitsprinzip ist es unabhängig von der Vorbereitung des Teilchens nicht möglich, eine genaue Vorhersage für die beiden alternativen Messungen zu treffen: Wenn das Ergebnis der Positionsmessung sicherer wird, wird das Ergebnis der Impulsmessung weniger und umgekehrt. Ein kohärenter Zustand minimiert die Gesamtunsicherheit, soweit es die Quantenmechanik erlaubt. Die Quantenoptik nutzt kohärente Zustände für Moden des elektromagnetischen Feldes. Es gibt einen Kompromiss, der an die Positions-Impuls-Unsicherheitsbeziehung zwischen Messungen der Amplitude und Phase einer elektromagnetischen Welle erinnert. Dies wird manchmal informell in Form der Unsicherheit in der Anzahl der in der elektromagnetischen Welle vorhandenen Photonen ausgedrückt, , und der Unsicherheit in der Phase der Welle, . Dies kann jedoch keine Unschärferelation vom Kennard-Pauli-Weyl-Typ sein, da die Phase im Gegensatz zu Ort und Impuls nicht durch einen hermiteschen Operator dargestellt werden kann .

Bose-Einstein-Modell eines Photonengases

1924 leitete Satyendra Nath Bose das Plancksche Gesetz der Schwarzkörperstrahlung ohne jeglichen Elektromagnetismus ab, sondern durch eine Modifikation der grobkörnigen Zählung des Phasenraums . Einstein zeigte, dass diese Modifikation der Annahme entspricht, dass Photonen rigoros identisch sind und dass sie eine "mysteriöse nicht-lokale Wechselwirkung" impliziert, die heute als Voraussetzung für einen symmetrischen quantenmechanischen Zustand verstanden wird . Diese Arbeit führte zum Konzept kohärenter Zustände und zur Entwicklung des Lasers. In denselben Veröffentlichungen erweiterte Einstein Boses Formalismus auf materielle Teilchen (Bosonen) und sagte voraus, dass sie bei ausreichend niedrigen Temperaturen in ihren niedrigsten Quantenzustand kondensieren würden ; diese Bose-Einstein-Kondensation wurde 1995 experimentell beobachtet. Sie wurde später von Lene Hau verwendet , um das Licht in den Jahren 1999 und 2001 zu verlangsamen und dann vollständig zu stoppen.

Die moderne Sichtweise dazu ist, dass Photonen aufgrund ihres ganzzahligen Spins Bosonen sind (im Gegensatz zu Fermionen mit halbzahligem Spin). Nach dem Spin-Statistik-Theorem gehorchen alle Bosonen der Bose-Einstein-Statistik (während alle Fermionen der Fermi-Dirac-Statistik gehorchen ).

Stimulierte und spontane Emission

Die stimulierte Emission (bei der Photonen selbst "klonen") wurde von Einstein in seiner kinetischen Analyse vorhergesagt und führte zur Entwicklung des Lasers . Einsteins Ableitung inspirierte weitere Entwicklungen in der Quantenbehandlung von Licht, die zur statistischen Interpretation der Quantenmechanik führten.

1916 zeigte Albert Einstein, dass das Plancksche Strahlungsgesetz aus einer halbklassischen, statistischen Behandlung von Photonen und Atomen abgeleitet werden kann, was eine Verbindung zwischen den Geschwindigkeiten, mit denen Atome Photonen emittieren und absorbieren, impliziert. Die Bedingung folgt aus der Annahme, dass die Funktionen der Strahlungsemission und -absorption durch die Atome voneinander unabhängig sind und über die Wechselwirkung der Strahlung mit den Atomen ein thermisches Gleichgewicht hergestellt wird. Betrachten Sie einen Hohlraum im thermischen Gleichgewicht mit allen Teilen seiner selbst und gefüllt mit elektromagnetischer Strahlung und dass die Atome diese Strahlung emittieren und absorbieren können. Das thermische Gleichgewicht erfordert, dass die Energiedichte von Photonen mit der Frequenz (die proportional zu ihrer Anzahldichte ist ) im Durchschnitt zeitlich konstant ist; daher muss die Rate, mit der Photonen einer bestimmten Frequenz emittiert werden, gleich der Rate sein, mit der sie absorbiert werden .

Einstein postulierte zunächst einfache Proportionalitätsbeziehungen für die unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten. In seinem Modell ist die Geschwindigkeit, mit der ein System ein Photon einer Frequenz absorbiert und von einer niedrigeren Energie zu einer höheren Energie übergeht, proportional zur Anzahl der Atome mit Energie und zur Energiedichte der Umgebungsphotonen dieser Frequenz.

wo ist die Geschwindigkeitskonstante für die Absorption. Für den umgekehrten Prozess gibt es zwei Möglichkeiten: die spontane Emission eines Photons oder die Emission eines Photons, die durch die Wechselwirkung des Atoms mit einem vorbeiziehenden Photon und die Rückkehr des Atoms in den energieärmeren Zustand ausgelöst wird. Einstein Ansatz folgend, wird die entsprechende Rate für die Emission von Photonen mit der Frequenz und der Übergang von einer höheren Energie auf eine niedrigere Energie ist

wobei die Geschwindigkeitskonstante für die spontane Emission eines Photons und die Geschwindigkeitskonstante für Emissionen als Reaktion auf Umgebungsphotonen ( induzierte oder stimulierte Emission ) ist. Im thermodynamischen Gleichgewicht muss die Zahl der Atome im Zustand und im Zustand im Durchschnitt konstant sein; daher müssen die Preise und gleich sein. Auch durch die Argumente analog zur Ableitung von Boltzmann - Statistik , das Verhältnis von und ist , wo und sind die Entartung des Staates und die jeweils und ihre Energien, der Boltzmann - Konstante und die Systemtemperatur . Daraus lässt sich leicht ableiten, dass und

Die und werden zusammen als Einstein-Koeffizienten bezeichnet .

Einstein konnte seine Geschwindigkeitsgleichungen nicht vollständig begründen, behauptete jedoch, dass es möglich sein sollte, die Koeffizienten zu berechnen , und sobald die Physiker "Mechanik und Elektrodynamik modifiziert hatten, um der Quantenhypothese Rechnung zu tragen". Nicht lange danach, 1926, leitete Paul Dirac die Geschwindigkeitskonstanten mit einem semiklassischen Ansatz ab, und 1927 gelang es, alle Geschwindigkeitskonstanten aus ersten Prinzipien im Rahmen der Quantentheorie abzuleiten . Diracs Arbeit war die Grundlage der Quantenelektrodynamik, dh der Quantisierung des elektromagnetischen Feldes selbst. Diracs Ansatz wird auch zweite Quantisierung oder Quantenfeldtheorie genannt ; frühere quantenmechanische Behandlungen behandeln nur materielle Teilchen als quantenmechanisch, nicht das elektromagnetische Feld.

Einstein beunruhigte die Tatsache, dass seine Theorie unvollständig schien, da sie nicht die Richtung eines spontan emittierten Photons bestimmt. Eine probabilistische Natur der Lichtteilchenbewegung wurde zuerst von Newton in seiner Behandlung der Doppelbrechung und allgemeiner der Aufspaltung von Lichtstrahlen an Grenzflächen in einen durchgelassenen Strahl und einen reflektierten Strahl betrachtet. Newton vermutete, dass verborgene Variablen im Lichtteilchen bestimmen, welchen der beiden Wege ein einzelnes Photon nehmen würde. In ähnlicher Weise hoffte Einstein auf eine vollständigere Theorie, die nichts dem Zufall überließ, und begann damit, sich von der Quantenmechanik zu trennen. Ironischerweise Max Born ‚s probabilistische Interpretation der Wellenfunktion wurde von Einstein später Arbeit sucht für eine vollständigere Theorie inspiriert.

Quantenfeldtheorie

Quantisierung des elektromagnetischen Feldes

Verschiedene elektromagnetische Moden (wie die hier gezeigten) können als unabhängige einfache harmonische Oszillatoren behandelt werden . Ein Photon entspricht einer Energieeinheit E  =  in seiner elektromagnetischen Mode.

1910 leitete Peter Debye das Plancksche Gesetz der Schwarzkörperstrahlung aus einer relativ einfachen Annahme ab. Er zerlegte das elektromagnetische Feld in einer Kavität in seine Fourier-Moden und nahm an, dass die Energie in jeder Mode ein ganzzahliges Vielfaches von ist , wobei die Frequenz der elektromagnetischen Mode ist. Das Plancksche Gesetz der Schwarzkörperstrahlung folgt unmittelbar als geometrische Summe. Debyes Ansatz lieferte jedoch nicht die richtige Formel für die Energiefluktuationen der Schwarzkörperstrahlung, die 1909 von Einstein abgeleitet wurden.

1925 interpretierten Born , Heisenberg und Jordan Debyes Konzept entscheidend neu. Wie klassisch gezeigt werden kann, sind die Fourier-Moden des elektromagnetischen Feldes – ein vollständiger Satz von elektromagnetischen ebenen Wellen, indiziert durch ihren Wellenvektor k und ihren Polarisationszustand – äquivalent zu einem Satz ungekoppelter einfacher harmonischer Oszillatoren . Quantenmechanisch behandelt sind die Energieniveaus solcher Oszillatoren bekannt , wo die Oszillatorfrequenz liegt. Der wichtigste neue Schritt bestand darin, einen elektromagnetischen Modus mit Energie als einen Zustand mit Photonen zu identifizieren , jedes mit Energie . Dieser Ansatz liefert die korrekte Energiefluktuationsformel.

Feynman-Diagramm zweier Elektronen, die durch Austausch eines virtuellen Photons wechselwirken.

Dirac ging noch einen Schritt weiter. Er behandelte die Wechselwirkung zwischen einer Ladung und einem elektromagnetischen Feld als eine kleine Störung, die Übergänge in den Photonenzuständen induziert, die Anzahl der Photonen in den Moden ändert, während Energie und Impuls insgesamt erhalten bleiben. Dirac war in der Lage, Einsteins und Koeffizienten aus den ersten Prinzipien abzuleiten und zeigte, dass die Bose-Einstein-Statistik von Photonen eine natürliche Folge der korrekten Quantisierung des elektromagnetischen Feldes ist (Boses Argumentation ging in die entgegengesetzte Richtung; er leitete das Plancksche Gesetz der Schwarzkörperstrahlung ab unter Annahme von B–E-Statistiken). Zu Diracs Zeit war noch nicht bekannt, dass alle Bosonen, einschließlich Photonen, der Bose-Einstein-Statistik gehorchen müssen.

Diracs Störungstheorie zweiter Ordnung kann virtuelle Photonen beinhalten , vorübergehende Zwischenzustände des elektromagnetischen Feldes; die statischen elektrischen und magnetischen Wechselwirkungen werden durch solche virtuellen Photonen vermittelt. In solchen Quantenfeldtheorien wird die Wahrscheinlichkeitsamplitude beobachtbarer Ereignisse durch Summieren über alle möglichen Zwischenschritte berechnet, auch solche, die unphysikalisch sind; daher sind virtuelle Photonen nicht darauf beschränkt, zu erfüllen und können zusätzliche Polarisationszustände aufweisen ; je nach verwendetem Messgerät können virtuelle Photonen drei oder vier Polarisationszustände anstelle der zwei Zustände realer Photonen aufweisen. Obwohl diese transienten virtuellen Photonen nie beobachtet werden können, tragen sie messbar zur Wahrscheinlichkeit beobachtbarer Ereignisse bei. Tatsächlich können solche Störungsberechnungen zweiter und höherer Ordnung scheinbar unendliche Beiträge zur Summe liefern . Solche unphysikalischen Ergebnisse werden mit der Technik der Renormierung korrigiert .

Andere virtuelle Partikel können ebenfalls zur Summation beitragen; können beispielsweise zwei Photonen indirekt durch virtuelle interagieren Elektron - Positron - Paare . Diese Photon-Photon-Streuung (siehe Zwei-Photonen-Physik ) sowie die Elektron-Photon-Streuung sollen eine der Betriebsarten des geplanten Teilchenbeschleunigers, des International Linear Collider, sein .

In der modernen physikalischen Schreibweise wird der Quantenzustand des elektromagnetischen Feldes als Fock-Zustand geschrieben , ein Tensorprodukt der Zustände für jede elektromagnetische Mode

wobei steht für den Zustand, in dem sich Photonen im Modus befinden . In dieser Notation wird die Erzeugung eines neuen Photons im Modus (zB von einem atomaren Übergang emittiert) als geschrieben . Diese Notation drückt lediglich das oben beschriebene Konzept von Born, Heisenberg und Jordan aus und fügt keine Physik hinzu.

Als Eichboson

Das elektromagnetische Feld kann als Eichfeld verstanden werden , dh als ein Feld, das daraus resultiert, dass eine Eichsymmetrie unabhängig an jeder Position in der Raumzeit gilt . Für das elektromagnetische Feld dieser Eichsymmetrie ist die Abelian U (1) Symmetrie von komplexen Zahlen des Absolutwertes 1, der die Fähigkeit , die variieren reflektiert Phase eines komplexen Feldes ohne Beeinträchtigung Observablen oder Reellwertige Funktion daraus gemacht, wie beispielsweise die Energie oder Lagrange .

Die Quanten eines abelschen Eichfeldes müssen masselose, ungeladene Bosonen sein, solange die Symmetrie nicht gebrochen wird; daher wird vorhergesagt, dass das Photon masselos ist und keine elektrische Ladung und einen ganzzahligen Spin hat. Die besondere Form der elektromagnetischen Wechselwirkung gibt an, dass das Photon einen Spin ±1 haben muss ; daher muss seine Helizität sein . Diese beiden Spinkomponenten entsprechen den klassischen Konzepten von rechtshändigem und linkshändigem zirkular polarisiertem Licht. Die transienten virtuellen Photonen der Quantenelektrodynamik können jedoch auch unphysikalische Polarisationszustände annehmen.

Im vorherrschenden Standardmodell der Physik ist das Photon eines von vier Eichbosonen in der elektroschwachen Wechselwirkung ; die anderen drei werden mit W + , W und Z 0 bezeichnet und sind für die schwache Wechselwirkung verantwortlich . Im Gegensatz zum Photon haben diese Eichbosonen eine Masse , aufgrund eines Mechanismus , der ihre SU(2)-Eichsymmetrie bricht . Die Vereinigung des Photons mit Bosonen der Spur W und Z in der elektroschwachen Wechselwirkung wurde von Sheldon Glashow , Abdus Salam und Steven Weinberg erreicht , wofür sie 1979 den Nobelpreis für Physik erhielten. Physiker stellen weiterhin große vereinheitlichte Theorien auf , die diese Bosonen mit vier Eichmaßen mit den acht Gluonen -Gaugebosonen der Quantenchromodynamik verbinden ; Schlüsselvorhersagen dieser Theorien, wie zum Beispiel der Protonenzerfall , wurden jedoch nicht experimentell beobachtet.

Hadronische Eigenschaften

Messungen der Wechselwirkung zwischen energetischen Photonen und Hadronen zeigen, dass die Wechselwirkung viel intensiver ist, als man durch die Wechselwirkung von reinen Photonen mit der elektrischen Ladung des Hadrons erwarten würde. Darüber hinaus ähnelt die Wechselwirkung von energiereichen Photonen mit Protonen der Wechselwirkung von Photonen mit Neutronen, obwohl sich die elektrischen Ladungsstrukturen von Protonen und Neutronen wesentlich unterscheiden. Um diesen Effekt zu erklären, wurde eine Theorie namens Vector Meson Dominance (VMD) entwickelt. Laut VMD ist das Photon eine Überlagerung des reinen elektromagnetischen Photons, das nur mit elektrischen Ladungen und Vektormesonen wechselwirkt. Bei experimenteller Untersuchung in sehr kurzen Abständen wird die intrinsische Struktur des Photons jedoch als ein Fluss von Quark- und Gluon-Komponenten erkannt, der gemäß der asymptotischen Freiheit in der QCD quasi frei ist und durch die Photonenstrukturfunktion beschrieben wird . Ein umfassender Datenvergleich mit theoretischen Vorhersagen wurde im Jahr 2000 in einem Review vorgelegt.

Beiträge zur Masse eines Systems

Die Energie eines Systems, das ein Photon emittiert, wird um die Energie des Photons, gemessen im Ruhesystem des emittierenden Systems, verringert, was zu einer Verringerung der Masse in der Menge führen kann . Ebenso wird die Masse eines Systems, das ein Photon absorbiert, um einen entsprechenden Betrag erhöht . Als Anwendung wird die Energiebilanz von Kernreaktionen mit Photonen üblicherweise in Bezug auf die Massen der beteiligten Kerne und die Form der Gammaphotonen (und anderer relevanter Energien, wie der Rückstoßenergie von Kernen) geschrieben.

Dieses Konzept wird in Schlüsselvorhersagen der Quantenelektrodynamik (QED, siehe oben) angewendet . In dieser Theorie wird die Masse von Elektronen (oder allgemeiner von Leptonen) durch Einbeziehen der Massenbeiträge virtueller Photonen in einer als Renormierung bekannten Technik modifiziert . Solche " Strahlungskorrekturen " tragen zu einer Reihe von Vorhersagen der QED bei , wie zum Beispiel das magnetische Dipolmoment von Leptonen , die Lamb - Verschiebung und die Hyperfeinstruktur von gebundenen Leptonenpaaren wie Myonium und Positronium .

Da Photonen zum Spannungs-Energie-Tensor beitragen , üben sie gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie eine Gravitationsanziehung auf andere Objekte aus . Umgekehrt werden Photonen selbst von der Schwerkraft beeinflusst; ihre normalerweise geraden Bahnen können durch die verzerrte Raumzeit gebogen werden , wie beim Gravitationslinseneffekt , und ihre Frequenzen können gesenkt werden, indem sie sich zu einem höheren Gravitationspotential bewegen , wie im Pound-Rebka-Experiment . Diese Effekte sind jedoch nicht spezifisch für Photonen; genau die gleichen Effekte würden für klassische elektromagnetische Wellen vorhergesagt .

In Materie

Licht, das sich durch transparente Materie ausbreitet, tut dies mit einer geringeren Geschwindigkeit als c , der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Der Faktor, um den die Geschwindigkeit verringert wird, wird als Brechungsindex des Materials bezeichnet. In einem klassischen Wellenbild kann die Verlangsamung durch das Licht erklärt werden, das eine elektrische Polarisation in der Materie induziert , die polarisierte Materie neues Licht ausstrahlt und dieses neue Licht mit der ursprünglichen Lichtwelle interferiert, um eine verzögerte Welle zu bilden. In einem Teilchenbild kann die Verlangsamung stattdessen als eine Mischung des Photons mit Quantenanregungen der Materie beschrieben werden, um Quasiteilchen zu erzeugen , die als Polariton bekannt sind (siehe diese Liste für einige andere Quasiteilchen); dieses Polariton hat eine effektive Masse ungleich null , was bedeutet, dass es sich bei c nicht bewegen kann . Licht unterschiedlicher Frequenzen kann sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch Materie bewegen ; dies wird als Dispersion bezeichnet (nicht zu verwechseln mit Streuung). In einigen Fällen kann es zu extrem langsamen Lichtgeschwindigkeiten in Materie kommen. Die Auswirkungen von Photonenwechselwirkungen mit anderen Quasiteilchen können direkt bei der Raman-Streuung und der Brillouin-Streuung beobachtet werden .

Photonen können durch Materie gestreut werden. Zum Beispiel treten Photonen auf dem Weg vom Kern der Sonne in so viele Kollisionen ein, dass es etwa eine Million Jahre dauern kann, bis die Strahlungsenergie die Oberfläche erreicht; Im offenen Weltraum braucht ein Photon jedoch nur 8,3 Minuten, um die Erde zu erreichen.

Photonen können auch von Kernen, Atomen oder Molekülen absorbiert werden, wodurch Übergänge zwischen ihren Energieniveaus hervorgerufen werden . Ein klassisches Beispiel ist der molekulare Übergang von Retinal (C 20 H 28 O), der für das Sehen verantwortlich ist , wie er 1958 von dem Nobelpreisträger Biochemiker George Wald und Mitarbeitern entdeckt wurde. Die Absorption provoziert eine cis-trans- Isomerisierung , die in Kombination mit anderen solchen Übergängen in Nervenimpulse umgewandelt wird. Die Absorption von Photonen kann sogar chemische Bindungen aufbrechen, wie bei der Photodissoziation von Chlor ; Dies ist das Thema der Photochemie .

Technologische Anwendungen

Photonen haben viele Anwendungen in der Technologie. Diese Beispiele wurden ausgewählt, um Anwendungen von Photonen an sich zu veranschaulichen , anstatt allgemeine optische Vorrichtungen wie Linsen usw., die unter einer klassischen Lichttheorie arbeiten könnten. Der Laser ist eine äußerst wichtige Anwendung und wurde oben unter stimulierte Emission diskutiert .

Einzelne Photonen können mit mehreren Methoden nachgewiesen werden. Die klassische Photomultiplier- Röhre nutzt den photoelektrischen Effekt : Ein Photon mit ausreichender Energie trifft auf eine Metallplatte und schlägt ein Elektron frei, wodurch eine sich ständig verstärkende Elektronenlawine ausgelöst wird. Ladungsgekoppelte Halbleiterchips nutzen einen ähnlichen Effekt: Ein einfallendes Photon erzeugt eine Ladung auf einem mikroskopisch kleinen Kondensator , die detektiert werden kann. Andere Detektoren wie Geigerzähler nutzen die Fähigkeit von Photonen, im Gerät enthaltene Gasmoleküle zu ionisieren , wodurch eine nachweisbare Änderung der Leitfähigkeit des Gases verursacht wird.

Die Energieformel von Planck wird häufig von Ingenieuren und Chemikern im Designbereich verwendet, um sowohl die Energieänderung aufgrund einer Photonenabsorption zu berechnen als auch die Frequenz des von einer bestimmten Photonenemission emittierten Lichts zu bestimmen. Zum Beispiel kann das Emissionsspektrum einer Gasentladungslampe verändert werden, indem sie mit (Gemische von) Gasen mit unterschiedlichen elektronischen Energieniveaukonfigurationen gefüllt wird .

Unter bestimmten Bedingungen kann eine Energiewende durch „zwei“ Photonen angeregt werden, die einzeln nicht ausreichen würden. Dies ermöglicht eine Mikroskopie mit höherer Auflösung, da die Probe Energie nur in dem Spektrum absorbiert, in dem sich zwei Strahlen unterschiedlicher Farbe signifikant überlappen, was viel kleiner gemacht werden kann als das Anregungsvolumen eines einzelnen Strahls (siehe Zwei-Photonen-Anregungsmikroskopie ). Darüber hinaus verursachen diese Photonen weniger Schäden an der Probe, da sie von geringerer Energie sind.

In einigen Fällen können zwei Energieübergänge gekoppelt werden, so dass, wenn ein System ein Photon absorbiert, ein anderes benachbartes System seine Energie "stiehlt" und ein Photon mit einer anderen Frequenz wieder emittiert. Dies ist die Grundlage des Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfers , einer Technik, die in der Molekularbiologie verwendet wird , um die Wechselwirkung geeigneter Proteine ​​zu untersuchen .

Mehrere verschiedene Arten von Hardware-Zufallszahlengeneratoren beinhalten die Detektion einzelner Photonen. In einem Beispiel wird für jedes Bit in der zu erzeugenden Zufallssequenz ein Photon an einen Strahlteiler gesandt . In einer solchen Situation gibt es zwei mögliche Ergebnisse mit gleicher Wahrscheinlichkeit. Das tatsächliche Ergebnis wird verwendet, um zu bestimmen, ob das nächste Bit in der Sequenz "0" oder "1" ist.

Quantenoptik und Berechnung

Der Anwendung von Photonen im Bereich der Quantenoptik wurde viel Forschung gewidmet . Photonen scheinen als Elemente eines extrem schnellen Quantencomputers gut geeignet zu sein , und die Quantenverschränkung von Photonen ist ein Forschungsschwerpunkt. Nichtlineare optische Prozesse sind ein weiteres aktives Forschungsgebiet mit Themen wie Zwei-Photonen-Absorption , Selbstphasenmodulation , Modulationsinstabilität und optische parametrische Oszillatoren . Solche Prozesse erfordern jedoch im Allgemeinen nicht die Annahme von Photonen an sich ; sie können oft modelliert werden, indem man Atome als nichtlineare Oszillatoren behandelt. Der nichtlineare Prozess der spontanen parametrischen Abwärtskonvertierung wird häufig verwendet, um Einzelphotonenzustände zu erzeugen. Schließlich sind Photonen in einigen Aspekten der optischen Kommunikation essentiell , insbesondere für die Quantenkryptographie .

Die Zwei-Photonen-Physik untersucht die seltenen Wechselwirkungen zwischen Photonen. Im Jahr 2018 gaben Forscher des MIT die Entdeckung von gebundenen Photonentripletts bekannt, an denen möglicherweise Polaritonen beteiligt sind .

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Weiterlesen

Nach Veröffentlichungsdatum:

Bildung mit einzelnen Photonen:

Externe Links

  • Zitate zu Photon bei Wikiquote
  • Die Wörterbuchdefinition von Photon bei Wiktionary
  • Medien im Zusammenhang mit Photon bei Wikimedia Commons