Dieses Buch beschäftigt sich mit der Entstehungsgeschichte des komplexen Konzeptes von Photonen aus wissenschaftshistorischer, kognitionspsychologischer und naturwissenschaftlicher Sicht. Dabei werden unter anderem sechs verschiedene mentale Modelle des Lichtquantums bzw. Photons diskutiert. Der Bogen wird vom Teilchenmodell Newtons, dem Singularitätsmodell Einsteins und Bohrs bis zum modernen Konzept der Quantisierung des elektromagnetischen Feldes in der Quantenelektrodynamik gespannt. Der Autor beschäftigt sich zuerst mit der Entwicklungsgeschichte des Photons innerhalb der modernen Physik ab 1900, bevor er zwölf Bedeutungsschichten des Photons ausgehend vom Anfang des 20. Jahrhunderts präsentiert. Anschließend werden die mentalen Modelle des quantisierten Lichts diskutiert und das heutige Modell des Photons besprochen. Die erste Auflage dieses Buches hatte ca. 16.000 downloads und eine altmetric von 10. Die deutlich erweiterte zweite Auflage des Buches wurde unter anderem durch zusätzliche Abschnitte über semiklassische Theorien, Dirac, QED und über die Feynman Lectures ergänzt. Ferner wurde das Kapitel über verschiedene Modelle der Begriffsentwicklung und den hier vertretenen Ansatz der Suche nach mentalen Modellen stark erweitert. Das Buch richtet sich sowohl an Naturwissenschaftler wie auch an Wissenschaftshistoriker und Andere, die sich mit der Begriffs- und Ideengeschichte von Konzepten auseinandersetzen.
Author(s): Klaus Hentschel
Edition: Erweiterte 2. Auflage
Publisher: Springer Spektrum
Year: 2023
Language: German
Pages: 406
Vorwort
Vorwort zur erweiterten zweiten Auflage
Danksagungen
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einführung
1.1 Methodisches zu dieser Studie
1.2 Terminologische Abgrenzung von Begriff, Konzept und mentalem Modell
1.3 Konzeptentstehung als schichtweise semantische Anreicherung
2 Der Einstieg: Plancks und Einsteins Wege zur Quantisierung
2.1 Planck und die Energiequantisierung 1900
2.2 Einsteins Gedankenführung bis zum Aufsatz von 1905
2.3 Einstein und Planck: Ein Vergleich
2.4 Plancks zweite Quantentheorie 1909–13
2.5 Die Vielfalt der Begrifflichkeit in statu nascendi
2.6 Der langsame Aufstieg des Terminus ‚Photon‘
3 Zwölf Bedeutungsschichten von Lichtquanten
3.1 Teilchenmodelle des Lichtes
3.2 Ausbreitung mit endlicher, aber sehr hoher Geschwindigkeit sowie Gleichheit der Lichtgeschwindigkeit für alle Farben
3.3 Emission und Absorption von Licht durch Materie
3.4 Strahlungsdruck von Licht auf Materie
3.5 Energietransport durch Licht
3.6 Energie-Frequenz-Proportionalität im Photoeffekt
3.7 Strenge Energiequantisierung: E=hν
3.8 Welle-Teilchen-Dualismus: Erste Andeutung und Vertiefungen
3.9 Spontane und induzierte Emission: 1916–17
3.10 Lichtquanten tragen Eigendrehimpuls (Spin)
3.10.1 Eigendrehimpuls als vierte Quantenzahl der Bohr- Sommerfeldschen Atomtheorie: Spin avant la lettre
3.10.2 Erste experimentelle Indizien
3.10.3 Raumquantisierung im Stern-Gerlach-Experiment
3.10.4 Spin als vierte Quantenzahl
3.11 Ununterscheidbarkeit der Lichtquanten – der Ursprung der Bose-Einstein-Statistik
3.12 Photonen als virtuelle Austauschteilchen der QED
4 Verschiedene mentale Modelle früher Akteure (bis 1926)
4.1 Newtons Vorstellungen zu „globuli of light“
4.2 Einsteins mentales Modell von Lichtquanten 1909
4.3 Einsteins eigene Zweifel am Konzept der Lichtquanten 1910–1915
4.4 Johannes Starks mentales Modell von Lichtquanten
4.5 J.J. Thomsons mentales Modell harter Röntgenstrahlung
4.6 W.H. Braggs Paar-Teilchen-Modell von γ-Strahlung
4.7 Energiepakete bei Planck, Debye und Sommerfeld
4.8 Edgar Meyer und Walther Gerlach über Verzögerungszeiten
4.9 Debye, v. Laue und Schrödinger über Wellenpakete
4.10 G. N. Lewis' mentales Modell von Photonen 1926
5 Frühe Rezeption des Konzepts von Lichtquanten
5.1 Anfängliche Skepsis
5.2 Der Compton-Effekt als Wegscheide 1922/23
5.3 Die BKS-Theorie 1924 und Experimente von Bothe & Geiger zu deren Widerlegung
5.4 Führungsfelder bei De Broglie, Slater und Born 1924–27
5.5 Diracs Quantisierung des Strahlungsfeldes 1927
5.6 Semiklassische Theorien
5.7 Ernst Blochs Materialismusproblem 1936/37
6 Der Reflex dieser Entwicklungen
6.1 ... in Lehrbüchern und im naturwissenschaftlichen Unterricht
6.2 ... in den Feynman Lectures on Physics
7 Alternative Theorien der Begriffsentwicklung
7.1 Begriffsgeschichte als Ergebnis denkgeschichtlicher Entwicklung (Fleck)
7.2 Metamorphose oder Entfaltung von Begriffen
7.3 Arianna Borrellis Materialität von Konzepten
7.4 ‚Lichtquantum‘ als ‚conceptual blending‘
7.5 Historische Ontologie und angewandte Metaphysik
7.6 Biographie wissenschaftlicher Objekte (Daston und Arabatzis)
7.7 Mentale Modelle als Erklärungsansatz
8 Experimente zur Quantenmechanik des Photons seit 1945
8.1 „Photonenklumpen“: Hanbury Brown und Twiss (HBT) 1955–57
8.2 Einzelne Photonen und halbdurchlässiger Spiegel: Campbell 1909, Clauser 1973 und Grangier, Aspect & Roger 1986
8.3 Ein-Photon-Interferenzexperimente: Von Taylor 1909 bis Grangier, Aspect & Roger 1986
8.4 Verschränkte Photonen: Alain Aspect u.a. 1980ff.
8.5 Wheelers delayed choice: Welchen Weg nehmen Photonen?
8.6 Photon-Bunching und Hong-Ou-Mandel-Dip 1987
8.7 Photonen-Antibunching in der Resonanzfluoreszenz
8.8 Photon-Erzeugung und -Vernichtung in einer Kavität
8.9 Quantenverschränkung und Quantenteleportation
8.10 Hochenergetische Photon-Photon-Streuung
9 Wie muss unser heutiges mentales Modell des Photons aussehen?
9.1 Welle, Teilchen oder Feld?
9.2 Kein naiver Realismus – Instrumentalistische Interpretation
9.3 ,Reale` vs. ,virtuelle` Photonen
9.4 Vermeidung unberechtigter Lokalitäts-Zuschreibungen
9.5 Abschiednahme von der Individuierbarkeit
9.6 Das Photon: „mysterious quantum Cheshire cat“ oder „elusive beast“?
10 Zusammenfassung/Abstract
Bibliographie
Literatur
Namens- und Stichwortverzeichnis
