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Quantencomputer, die theoretischen Grundlagen

Ist das Licht eine Welle oder ein Teilchen ?

⦁ Autor: Rhett Allain. ⦁ Rhett Allain Wissenschaft
⦁ Datum der Veröffentlichung: 07.11.13. 07.11.13
⦁ Zeitpunkt der Veröffentlichung: 08:13. 08:13
Ist das Licht eine Welle oder ein Teilchen?

Es ist in Ihrem Physik-Lehrbuch, gehen sehen. Er sagt, dass Sie entweder Modell Licht als elektromagnetische Welle können oder Sie Licht ein Strom von Photonen modellieren. Beide Modelle können nicht gleichzeitig verwendet werden. Es ist eine oder die andere. Er sagt, dass, zu suchen.
Hier ist eine wahrscheinliche Zusammenfassung aus den meisten Lehrbüchern.
1. Licht wie eine Welle: Licht (modelliert) als elektromagnetische Welle beschrieben werden kann. In diesem Modell erzeugt einem sich ändernden elektrischen Feld ein wechselndes Magnetfeld. Dieses Magnetfeld erstellt dann eine wechselnde elektrische Feld und BOOM – Sie haben Licht. Im Gegensatz zu vielen anderen Wellen (Ton,, Wasserwellen, Wellen in einem Fußballstadion) braucht Licht nicht in ein Medium "Welle".
Oh, das ist zu einfach eine Erklärung? Wie wäre es damit?

Diese sind eine Form der Maxwell Gleichungen. Sie beschreiben die Beziehung zwischen der elektrischen und magnetischen Feldern (gut vor allem die letzten beiden). Wenn Sie möchten, können Sie verwenden Vektorrechnung auf die oben genannten Gleichungen und dann B zu beseitigen:

Dies ist die Form der Wellengleichung. Maxwell Gleichungen sagst, dass Licht eine Welle ist.
2. Licht als Teilchen: das Lehrbuch beginnen mit einigen experimentellen Beweise aus den historischen photoelektrischen Effekt zu zeigen, dass die Welle Modell des Lichts nicht immer beschreiben, was passiert.
Es wird dann sagen, dass wir Licht als Individuum "Dinge" (einige Bücher sagen eigentlich Teilchen und andere sagen nur Photonen) zu modellieren. Diese leichten "Dinge" haben die Energie, die von der Wellenlänge abhängig ist, dass:

Hier ist h Plancksche Konstante und λ ist die Wellenlänge des Lichts und f die Frequenz. Mit dem Modell Photon erzeugt ein helleres Licht nur mehr Photonen pro Sekunde.
Ist das Licht ein Teilchen oder eine Welle?
Die meisten Texte Ende mit etwas wie folgt aus:
"Ist das Licht ein Teilchen oder eine Welle? Das ist eine schwierige Frage – die Antwort ist, dass in einigen Situationen Licht als Teilchen verhält und in anderen verhält es sich wie eine Welle."
Was ist falsch mit mehreren Modellen?
Wir haben immer mehrere Modelle für Dinge, die wir sehen. Sie sind jedoch anders als diese Welle-Teilchen-Modell des Lichts. Schauen wir uns ein paar andere Modelle.
Momentum. Wenn Sie, Dynamik beginnen, es ist fast immer (außer in der Super Lehrbuch Materie und Wechselwirkungen) definiert als:

Das ist großartig. Es ist einfach und es ist nützlich. Es geht mit dem Dynamik-Prinzip, das besagt, dass die Nettokraft, die auf ein Objekt der Zeit Änderungsgeschwindigkeit der Dynamik ist groß. Natürlich könnte man auch sagen, dass es falsch ist. Sie haben ein Proton mit 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit bewegt? In diesem Fall mithilfe nicht dieser Definition der Schwung mit dem Dynamik-Prinzip. Stattdessen haben Sie dieses Modell verwenden:

Das ist schön, nicht wahr? Manche nennen dies die "relativistischen Dynamik". Jedoch mag ich diese einfach nur Dynamik zu nennen. Aber was hat dies mit zwei Modelle für das Licht zu tun? Nun, was passiert, wenn ich wollte, die Dynamik eines Protons gehen nur 10 % der Lichtgeschwindigkeit zu finden? Welches Modell sollte ich verwenden? Die Antwort hängt davon ab, wie schnell Sie das berechnen möchten und wie genau Sie Ihre Antwort sein soll. Ja, ich weiß, "schnell" ist relativ.
Hier ist eine Darstellung der Dynamik eines Protons als Funktion der Geschwindigkeit für die beiden Modelle.

Sie können sehen, dass bei niedrigeren Geschwindigkeiten, stimmen die beiden Modelle. Desto schneller fährt das Proton, desto weniger Stimmen die beiden Modelle.
Schwerkraft. Jeder weiß das Modell für die Gravitationskraft, richtig? Du kannst es folgendermaßen schreiben:

Nein. Das ist falsch. Dieses Modell funktioniert nur, wenn in der Nähe der Oberfläche der Erde. Die Gravitationskraft ist:

Das ist immer noch falsch, aber besser. Allerdings verwenden wir oft das bessere Modell für die Gravitationskraft nahe der Oberfläche der Erde. Warum? Weil das mg-Modell gut genug funktioniert. Auch stimmen die beiden Modelle auf der Oberfläche der Erde genauso wie die zwei Ausdrücke für die Proton-Dynamik "langsames" zustimmen.
Quantenmechanik. Ich werde viele sehr interessante Details zu überspringen, aber lassen mich nur sagen, dass ich das folgende Modell das Verhalten eines super winzigen Teilchen in einer Box verwenden kann. Hier ist ein älterer Beitrag mit den meisten der Partikel in eine Box-Details. Selbst mit dem Knock-out.

Oder vielleicht möchten Sie es wie folgt schreiben:

Dies ist Schrödingers-Gleichung und Ψ heißt die Wellenfunktion. Es bietet Ihnen alles, was Sie direkt messen könnte, aber daraus könnte man die Wahrscheinlichkeitsdichte – oder eine Beschreibung wo ein Teilchen gefunden werden dürfte (oder wirklich, alles, was Sie, über die Partikel wissen).
Aber warten Sie! Es gibt noch mehr. Was passiert, wenn Sie Schrödinger Gleichung um zu betrachten eines Teilchens in einem eindimensionalen Kasten verwenden? Warum würden Sie dies tun? Weil es mathematisch einfach ist und wir es verwenden können, um einige der Ergebnisse eines Quantensystems zu erkunden. Aus Schrödingers-Gleichung würden Sie feststellen, dass das Teilchen nur bei bestimmten diskreten Energien existieren kann. Das ist wirklich einer der entscheidenden Punkte der Quantenmechanik (es ist das Quant in der Quantenphysik).
Meine Lieblings-Quanten-Analogie ist eine Treppe. Für eine Treppe kann man auf einen Schritt oder der nächste Schritt aber zwischen Schritten kann man wirklich nicht sein. In diesem Fall könnte man sagen, dass Höhe quantisiert ist. Das gleiche gilt für ein Teilchen in einer Box oder ein Elektron in ein Wasserstoffatom. Es gibt nur bestimmte möglich Energieniveaus.
Stimmt diese Quanten-Energie-Modell mit klassischen Mechanik? Ja. Wenn Sie einen Tennisball in einem typischen Klassenzimmer hin und her hüpfen sah, konnte die quantisierten Energieniveaus berechnet werden. Allerdings sind diese Energieniveaus so nahe beieinander, dass Sie im Grunde nie in der Lage, experimentell zu überprüfen, ob der Ball nur bestimmte Energieniveaus haben kann.
Nur um klar zu sein: das Quantenmodell Zeug ist wie die oben genannten Modelle. Es gibt langsam ein anderes Ergebnis als das klassische Modell des Materials.
Warum enthalten Lehrbücher der Photon-Modell des Lichts?
Sie sind sehr geduldig gewesen. Ich weiß Sie Photonen reden möchte, aber ich musste das Modell Zeug aus dem Weg zu bekommen. Aber wie ich schon sagte, spricht fast jeder Einführung in die Physik-Lehrbuch über Photonen mit der photoelektrische Effekt als Grundlage für dieses Modell.
Es gibt einen Grund dafür. Albert Einstein erhielt den Nobelpreis im Jahr 1921 teilweise für seine Erklärung des photoelektrischen Effekts. Einstein hat natürlich einige andere tolle Sachen. Vor allem die allgemeine und spezielle Relativitätstheorie. Aber den Nobelpreis nicht erwähnt dies – nur den photoelektrischen Effekt. Jedoch während Einsteins Dankesrede für den Nobelpreis sprach er über Relativität und nicht den photoelektrischen Effekt.
Aber hier die verrückte Teil ist (ich weiß, Sie wahrscheinlich denken diese ganze post ist verrückt): der photoelektrische Effekt kann mit einer klassischen Welle Modell des Lichts zusammen mit einem Quantenmodell der Materie erklärt werden. Wirklich, es kann. Überspringen der Details, lassen Sie mich nur sagen (und finden Sie in Ihrem Buch der Quantenmechanik zu überprüfen), dass, wenn Sie ein Teilchen mit Energie E1 und möchten es für den Übergang in das Energieniveau E2 Sie können dies durch Hinzufügen einer zeitlich veränderliche Potenzial, dass: