Es gibt viele experimentelle Beweise dafür, dass das elektromagnetische Feld Energie mit Atomen in diskreten Stücken austauscht. Wenn wir diese Blöcke Photonen nennen, existieren Photonen. Das ist alles sehr gut, aber ich vermute, dass Sie wirklich interessiert sind, ob das Photon als kleiner Lichtball existiert, der mit $ c $ durch den Raum rast, und wenn ja, dann ist das eine komplizierte Frage.

Tatsächlich sind alle Partikel schwerer zu fassen als Sie vielleicht denken. Viele von uns werden ihre Reise in die Quantenmechanik mit der Wellengleichung eines freien Teilchens begonnen haben und waren überrascht, dass die Lösung eine ebene Welle war, die nicht wie ein Teilchen aussah. Dann sagt uns der Lehrer, dass wir ein Wellenpaket erstellen können, um ein Partikel herzustellen, aber das ist nicht allzu überzeugend. Das Erstellen eines Partikels durch Erstellen eines Wellenpakets scheint für Objekte, die von grundlegender Bedeutung sein sollen, schrecklich willkürlich.

Tatsächlich sagt uns die nicht-relativistische Quantenmechanik nichts darüber aus, warum Teilchen existieren und woher sie kommen. Erst wenn wir zur Quantenfeldtheorie kommen, erhalten wir einen Grund, warum Teilchen existieren, und eine Erklärung für ihre Eigenschaften, aber selbst dann erweisen sich Teilchen als seltsamere Dinge, als wir dachten. P. >

Wenn Sie QFT lernen, beginnen Sie traditionell mit der Quantisierung eines skalarfreien Feldes. Wenn wir dies tun, stellen wir fest, dass die Feldzustände Fock-Zustände sind, und wir interpretieren diese Zustände so, dass sie eine genau definierte Anzahl von Partikeln enthalten. Wenn Sie mit einem Erstellungsoperator auf den Vakuumzustand einwirken, wird einem Zustand ein Partikel hinzugefügt, und durch Einwirken auf einen Zustand mit dem Vernichtungsoperator wird ein Partikel entfernt. All dies mag ein bisschen abstrakt klingen, aber es gibt uns tatsächlich eine konkrete Beschreibung dessen, was Partikel sind. Die Partikeleigenschaften wie Masse, Spin, Ladung usw. sind Eigenschaften des Quantenfeldes, und alle Partikel sind identisch, da sie alle durch dasselbe Feld beschrieben werden. Die Theorie sagt uns also sofort, warum z. Alle Elektronen sind identisch und es wird beschrieben, wie Partikel in Kollidern wie dem LHC erzeugt und zerstört werden können. Derzeit ist die Quantenfeldtheorie die endgültige Theorie zur Beschreibung der Teilchen und ihres Verhaltens.

Aber diese Feldmodi, die Partikel darstellen, sehen schrecklich aus wie die ebenen Wellen, mit denen wir angefangen haben, als wir das erste Mal QM gelernt haben. Die von QFT beschriebenen Partikel ähneln also immer noch nicht wirklich Partikeln im intuitiven Sinne einer kleinen Kugel. Und es kommt noch schlimmer. Fock-Zustände existieren nur für das freie Feld, d. H. Eines, in dem Partikel nicht miteinander interagieren. Und das ist offensichtlich ein nutzloses Modell für Teilchen wie Elektronen und Photonen, die stark interagieren. In einer interagierenden Theorie sind die Feldzustände keine Fock-Zustände und sie sind nicht einmal Überlagerungen von Fock-Zuständen. Tatsächlich wissen wir derzeit nicht, wie die Zustände eines interagierenden Feldes sind. Das Beste, was wir tun können, ist, ihre Eigenschaften mithilfe eines störenden Ansatzes oder einer Gitternäherung zu berechnen.

Aber kommen wir zurück zu den Photonen. Wir quantisieren das elektromagnetische Feld nicht, weil es nicht offensichtlich Lorentz-Kovariante ist. Stattdessen konstruieren wir ein Feld namens elektromagnetisches Vierpotential und quantisieren es. Und jetzt haben wir eine Definition des Photons in Bezug auf die Zustände dieses Feldes. Solange es sich um Situationen handelt, in denen Wechselwirkungen ignoriert werden können, haben wir eine schöne, klare Definition eines Photons. Und wir können die Erzeugung von Photonen beschreiben, indem wir den durch das Quantenfeld beschriebenen Moden Energie hinzufügen, und die Vernichtung von Photonen kann Energie aus den Moden entnehmen und z. ein Wasserstoffatom. In diesem Sinne sind Photonen reale Dinge, die definitiv existieren.

Aber dieses Photon sieht nicht wie ein kleiner Lichtball aus. Tatsächlich sieht es überhaupt nicht wie ein Lichtstrahl aus. Um einen Lichtstrahl zu konstruieren, muss ein kohärenter Zustand von Photonen so aufgenommen werden, dass ich gestehe, dass ich ihn nicht verstehe, aber weiß, dass er kompliziert ist. Dies ist die Domäne der Quantenoptik und ich wünsche Ihnen viele schöne Stunden, in denen Sie versuchen, sie zu lernen.

Dies ist der Punkt, den ich in dem Artikel von W. E. Lamb angesprochen habe, den ich in einem Kommentar erwähnt habe. Es gibt eine lange und unedle Geschichte von Menschen, die sich vorstellen, dass Lichtstrahlen nur Hagel von Photonen sind und dadurch verwirrt werden. Das einzige Mal, dass wir wirklich sehen, wie sich Licht als Photon verhält, ist, wenn es Energie mit etwas austauscht. Wenn also ein angeregtes Wasserstoffatom zerfällt, wird ein Photon emittiert. Ebenso kann ein Photon von einem Atom absorbiert und angeregt werden. Da sich das Licht zum oder vom Atom ausbreitet, ist es selten nützlich, es in Form von Photonen zu beschreiben

Ich habe das Gefühl, dass ich lange weitergemacht habe, ohne Ihre Frage wirklich zu beantworten, aber das liegt daran, dass Ihre Frage keine wirkliche Antwort hat. QFT, speziell Quantenelektrodynamik, gibt uns eine sehr, sehr genaue Beschreibung dessen, was Photonen sind, und ich vermute, die meisten von uns würden sagen, dass Photonen natürlich wirklich existieren. Sie sind einfach nicht die einfachen Objekte, die die meisten Leute denken.

Wie Sie anhand der Antworten erraten können, die von "Ja" bis "Nein" stark variieren, berührt Ihre Frage ein sehr heikles Thema für diejenigen, die der Wissenschaft folgen. Die Antwort läuft schnell auf frustrierend formulierte Fragen wie "Was ist echt" hinaus, weil das, was Sie fragen, ausreichend schwierig ist.

In der Welt der Philosophie wird die Wissenschaft als Teil des "Empirismus" eingestuft. Empirismus ist die Philosophie dessen, was wir mit unseren Sinnen wissen können (auch bekannt als "empirische Beobachtungen"). Empirismus ist eine Subdisziplin der Erkenntnistheorie, das Studium dessen, was wir wissen können. Die Erkenntnistheorie ist getrennt von der Ontologie, dem Studium dessen, was "real" ist. Aus philosophischer Sicht macht die Wissenschaft also keine Aussagen darüber, was real ist und was nicht.

Wenn Sie sich die Beweise für das "Photon" ansehen, erhalten Sie eine Vielzahl empirischer Beobachtungen von Wissenschaftlern. In jedem Fall stellen wir fest, dass die Ergebnisse des Experiments mit den Vorhersagen dieses Modells übereinstimmen, wenn wir die Welt so modellieren, als ob Photonen existieren. Es heißt nicht, dass Photonen existieren, und es heißt nicht, dass sie nicht existieren. Es heißt lediglich, dass ein Modell, das erklärt, dass Photonen existieren, die Ergebnisse früherer Experimente effektiv vorhersagen kann.

Wenn Sie der Meinung sind, dass vergangene Ergebnisse die zukünftige Performance vorhersagen, spielen Sie nicht an der Börse, aber die Wissenschaft hat gezeigt, dass seine Modelle eine erstaunlich gute Erfolgsbilanz bei der Vorhersage von Ergebnissen aufweisen. Ich würde behaupten, dass die Ergebnisse weitaus besser sind als bei jedem anderen System, obwohl wir uns zunächst auf eine Metrik für den Vergleich von Systemen einigen müssten, um eine solche Behauptung aufzustellen. Wenn Sie vorhersagen müssen, was in einem System passieren wird, ist es mehr als wahrscheinlich, dass Sie eine solide Antwort erhalten, wenn Sie das System so modellieren, dass es Photonen enthält. Die Wissenschaft schätzt ihre Fähigkeit, Vorhersagen zu treffen, die kein anderes System treffen kann, und macht diese Vorhersagen gut.

Die Wissenschaft war dabei so effektiv, dass wir anfangen, mit unserer Terminologie faul zu werden. Wir beginnen zu sagen "Photonen existieren" oder "Photonen sind real". Auf der philosophischen Ebene wird dies als Entführung bezeichnet. Entführung fällt in dieselbe Kategorie wie Abzug und Induktion; Es wird davon ausgegangen, dass die wahrscheinlichste Hypothese wahr ist. Wir gehen davon aus, dass Photonen ohne bessere Hypothese einfach existieren müssen. Dies ist nicht Teil der wissenschaftlichen Methode; Es ist keine empirische Behauptung. Die Modelle sind jedoch so verdammt gut darin, die Zukunft vorherzusagen, dass der längere Satz "Das Universum ist gut modelliert mit der Annahme, dass Photonen real sind" den zusätzlichen Atemzug nicht wert ist.

Leider kann dieser abduktive Schritt uns in Schwierigkeiten bringen. Sie haben erwähnt, dass Sie von Photonen gehört haben, die als "Wahrscheinlichkeitswolken" beschrieben werden. Dies liegt daran, dass wir beim tieferen Blick in das Universum bemerkten, dass die Modellierung von Dingen als Photonen nicht mehr vollständig beschreibt, was wir sahen. Seltsame Experimente wie das Double-Sit-Experiment deuteten darauf hin, dass wir Licht nicht einfach als Bündel einzelner Photonen modellieren können. Experimente wie dieses wurden absichtlich entwickelt, um auf Eckfälle zu drängen, in denen die alten Modelle einfach kaputt gingen. Wir haben sie dann durch neue Modelle ersetzt, die die Ergebnisse viel besser vorhersagen können.

Natürlich müssen diese neuen Modelle mit allen alten empirischen Beweisen übereinstimmen, die vor der Bildung dieses neuen Modells gesammelt wurden. Wenn wir uns von den schwierigen Eckfällen entfernen, die durch das Doppelspaltexperiment vorgeschlagen wurden, stellen wir fest, dass es einen starken Zusammenhang zwischen einigen der Wahrscheinlichkeitsverteilungen gibt, die sich aus den quantenmechanischen Wellenfunktionen ergeben, und den "Photonen", die in der angenommen wurden altes Modell.

Dies ist für mich einer der brillanten Teile der Wissenschaft. Wenn Sie diese Verbindungen zwischen den Modellen herstellen, können wir sagen: "Solange Sie sich von diesen speziellen Eckfällen fernhalten, können Sie Licht als Photonen modellieren, da die Fehler, die Sie aufnehmen, gering sind." Denken Sie darüber nach, wie erstaunlich das ist. Wir sind mit unseren Modellen zufrieden genug, um zu sagen: "Auch wenn Sie nicht das fortschrittlichste Modell verwenden, das die Wissenschaft zu bieten hat, können wir es dennoch sicher verwenden und den Fehlern Grenzen setzen."

Unabhängig davon gibt es in der Quantenmechanik auf ihrer tiefsten Ebene keine "Photonen". Es gibt Wellenformen, die durch Raum und Zeit kontinuierlich sind. In vielen Fällen ist das Verhalten dieser Wellenformen jedoch so diskret, dass wir einen Teil der Wellenform erfassen und sagen können: "Dieser Teil ist ein Photon." Aber es ist wirklich unsere Entscheidung, es ein Photon zu nennen. Empirisch gesehen ist es eine gute Entscheidung. In weit über 99% der Fälle ist es eine gute Entscheidung, Vorhersagen zu treffen, und das wollen wir von der Wissenschaft.

Gibt es also Photonen? Niemand weiß. Unsere besten Modelle der subatomaren Welt, die der Quantenmechanik, zeigen alle ein Verhalten, das genau dort ist, wo Photonen sein sollten. Wir haben keinen besonderen Grund anzunehmen, dass sie nicht existieren. Ob Ihnen das ausreicht, hängt wirklich von Ihren persönlichen Vorlieben und Ihrer Philosophie ab.

Alle Experimente benötigen einen theoretischen Rahmen, in dem sie interpretiert werden. Rohdaten allein sagen nichts aus.

Photonen (und andere Teilchen) sind Teil eines äußerst nützlichen Gerüsts zum Verständnis vieler verschiedener Phänomene, von esoterischen Hochenergie-Collider-Experimenten bis zu Dingen, die wir jeden Tag erleben, wie dem Schwarzkörperspektrum. Ich benutze diese Sprache, um eine breite Klasse von Experimenten zu verstehen und zu interpretieren.

Gleichzeitig können wir jedoch niemals sagen, dass unsere derzeitige Theorie definitiv die richtige Sichtweise auf Dinge ist. Es besteht immer die Möglichkeit, dass zukünftige Experimente oder Erkenntnisse uns zu dem Verständnis führen, dass unsere aktuelle Theorie lediglich eine Annäherung an eine andere Theorie ist oder dass es sich um eine von mehreren äquivalenten Darstellungen für dieselbe Physik handelt.

Wenn morgen jemand vorbeikommen und eine alternative Sichtweise auf Dinge vorschlagen würde, bei denen Photonen nicht explizit auftraten, die aber alle beobachteten Phänomene angemessen erklärten, hätte ich keine Einwände gegen die Verwendung dieser Sprache. (Bis zu einem gewissen Grad könnte ich sagen, dass die Quantenfeldtheorie dies ermöglicht, indem Sie Streuquerschnitte als eine bestimmte Projektion von n-Punkt-Korrelationsfunktionen eines Quantenfeldes interpretieren.) Ich könnte sogar davon überzeugt sein, die neue Theorie zu bevorzugen, wenn die neue Theorie neue Phänomene erklären könnte, die die alte Theorie nicht erklären könnte.

Diese neue Theorie müsste jedoch noch viele der Beobachtungen berücksichtigen, die wir mit der Existenz von Photonen in Verbindung bringen - wie beispielsweise die Klicks in einer Photovervielfacherröhre. Es könnte durchaus sein, dass die neue Theorie diese Phänomene weniger intuitiv erklärt. Dann würde ich es immer noch vorziehen, Photonen als nützliche Annäherung zu betrachten - sie erfassen genug von dem, was vor sich geht, dass ich sagen würde, dass sie eine gute Beschreibung in einer angemessenen Grenze sind, selbst wenn sie keine fundamentalen Objekte in der neuen Theorie sind / p>

Gibt es also Photonen?Es ist schwer, nein zu sagen, da sie eine so elegante Erklärung für so viele beobachtete Tatsachen liefern.Aber ich kann nicht eindeutig Ja sagen, da es immer möglich ist, dieselben Daten auf andere Weise zu erklären, und es ist möglich, dass einige dieser anderen Theorien zu einem tieferen Verständnis der Physik führen.

PS - Dies ist ein Nebenkommentar, aber ich akzeptiere nicht die Prämisse, dass $ i $ nicht existiert (für welche Definition von 'existieren' Sie auch für mathematische Objekte verwenden) ... wenn Sie die Existenz akzeptierenvon irrationalen Zahlen, dann ist $ i $ wirklich nicht fremd.

Gibt es Photonen wirklich im physikalischen Sinne oder sind sie nur ein nützliches Konzept wie i = sqrt (-1)

?

Sie existieren wirklich im physischen Sinne.

Beim Lesen über Photonen höre ich verschiedene Erklärungen wie "Elementarteilchen", "Wahrscheinlichkeitswolke", "Energiequanten" und so weiter.

Ich bin sicher, dass jeder mit dem Begriff "Elementarteilchen" vertraut ist und dass viele Leute über "Energiequanten" cool sein werden, aber für mich selbst habe ich noch nie jemanden gehört, der ein Photon als "Wahrscheinlichkeitswolke" beschreibt. . Können Sie mir eine Referenz dafür geben?

Da wahrscheinlich noch niemand ein Photon gesehen hat

In gewisser Weise sehen Sie gerade eine ganze Reihe von Photonen. So viele, dass sie sich ein Bild machen. Und Menschen haben in Experimenten definitiv Photonen entdeckt.

(wenn es "gesehen" wird, hört es angeblich - und ziemlich bequem - auf zu existieren)

Nicht immer. Das Photon hat eine E = hf- oder E = hc / λ-Wellennatur. Stellen Sie sich ein Photon so vor, als würden Sie ein wackelndes Gelee mit einem großen Stock erkennen. Es stoppt das Wackeln des Gelees. Aber es gibt so etwas wie schwache Messung. Eine schwache Messung ist wie die Verwendung eines Zahnstochers anstelle eines großen Stocks. Es gibt auch Compton-Streuung. Das Photon wird "detektiert", aber es hört nicht auf zu existieren.

aber viele Experimente scheinen seine Eigenschaften zu verifizieren (oder sind sie möglicherweise an das Experiment angepasst).Ich frage mich daher, ob das "Photon" dann nur ein physikalisch-mathematisches Werkzeug mit unerklärlichen Eigenschaften (wie Nullmasse - aber beeinflusst durch Gravitationsfelder - und konstanter Geschwindigkeit c im Raum) ist, das erfunden wurde, um ein ansonsten unerklärliches Phänomen zu erklären und zu erklärenergänzen die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen.Kurzum: Sind sie real oder imaginär?Weiß das jemand?Oder vielleicht lautet die Antwort "im Wind wehen", weil es für die meisten Physiker wahrscheinlich einfach keine Rolle spielt, solange es funktioniert (wie die alternativen Heiler sagen).Tut mir leid, wenn ich hier und da ein bisschen sarkastisch bin.

Sie sind echt.Wir können bei der Paarproduktion aus Photonen Elektronen (und Positronen) machen.Und Sie bestehen aus Elektronen und anderen Teilchen, die gleichermaßen real sind.

Photonen existieren und werden am besten als Energiepakete oder Teilchen beschrieben. Natürlich wird der Begriff Teilchen immer durch die Strohmannbeschreibung einer Kugel oder eines Lichtballs trivialisiert. Ein Partikel ist Teil von etwas anderem und muss keine feste Kugel sein. Tatsächlich ist es nur ein eigenes System. Ein Photon könnte als ein eigenes Schwingungssystem beschrieben werden, das sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum ausbreitet. Ein einzelnes Photon könnte auf mindestens vier Prinzipien aufgebaut sein.
(1) Eine akkumulative Massenmasse, die zu klein ist, um zu diesem Zeitpunkt berechnet zu werden. (2) A Richtung und Geschwindigkeit (3) Eine Frequenz, die eine eigene systematische Schwingung anzeigen könnte. (4) und Gesamtdrehimpuls des Systems, der als Polarität wahrgenommen werden könnte. Während sich das Photon durch den Raum ausbreitet, spielen diese vier Prinzipien auseinander, wobei das wichtigste die oszillierende Frequenz ist. Die Energie dieser inneren Schwingung trägt zur Photonenenergie und zum photoelektrischen Effekt bei. Die Geschwindigkeit und Masse der Photonen haben etwas damit zu tun. Dies ist nur eine Möglichkeit, ein Photon physikalisch zu beschreiben, ohne auf ein sarkastisches Modell einer Kugel zurückzugreifen.