Ein Photon ist eine Art Elementarteilchen, das die Grundeinheit der elektromagnetischen Strahlung bildet, zu der Radiowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen gehören. Photonen haben keine Masse, keine elektrische Ladung und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Im Gegensatz zu einigen Teilchen, wie Protonen und Neutronen, werden sie nicht als aus kleineren Komponenten aufgebaut. Sie gehören zu einer Klasse von Teilchen, die für die Grundkräfte der Natur verantwortlich sind und die elektromagnetische Kraft tragen. Nach der Theorie der Quantenelektrodynamik lässt sich das Verhalten elektrisch geladener Teilchen zueinander durch Photonen beschreiben.
Im 19. Jahrhundert durchgeführte Experimente schienen zu beweisen, dass Licht aus Wellen besteht. Anfang des 20. Jahrhunderts zeigten jedoch andere Experimente, dass es aus Partikeln besteht. Obwohl es widersprüchlich erscheint, verhalten sich Licht und andere Formen elektromagnetischer Strahlung tatsächlich wie beide Formen. Photonen sind Lichtteilchen, haben aber auch wellenartige Eigenschaften wie Wellenlänge und Frequenz.
Photonen und Materie
Materie kann auf verschiedene Weise mit Lichtteilchen wechselwirken. Ein Elektron in einem Atom zum Beispiel kann ein Photon absorbieren, wodurch es auf ein höheres Energieniveau springt. Mit der Zeit kann das Elektron auf ein niedrigeres Energieniveau zurückkehren und die zusätzliche Energie als Photon emittieren. Das Auge kann Licht erkennen, weil bestimmte Moleküle in der Netzhaut Energie von Photonen im Frequenzbereich des sichtbaren Lichts absorbieren. Diese Energie wird in elektrische Impulse umgewandelt, die entlang des Sehnervs ins Gehirn gelangen.
In einigen Fällen können Elektronen relativ hochenergetische Teilchen des ultravioletten Lichts absorbieren und dann die Energie als Photonen mit längerer Wellenlänge des sichtbaren Lichts emittieren, ein Phänomen, das als Fluoreszenz bekannt ist. Moleküle können Energie bei Infrarotfrequenzen absorbieren, wodurch sie sich mehr bewegen, was zu einem Temperaturanstieg führt; Deshalb können Gegenstände durch Sonnenlicht oder durch eine elektrische Heizung erwärmt werden. Sehr energiereiche Photonen wie Röntgen- und Gammastrahlen können eine zerstörerische Wirkung auf Materie haben. Sie haben genug Energie, um Elektronen aus Atomen zu entfernen, positiv geladene Ionen zu bilden und chemische Bindungen aufzubrechen. Diese Effekte verursachen chemische Veränderungen, die für lebende Organismen sehr schädlich sein können.
Entdeckung
Das Konzept und die Entdeckung des Photons sind eng mit der Entwicklung der Quantentheorie verbunden. Um 1900 fand der theoretische Physiker Max Planck eine Lösung für ein Problem, das Wissenschaftler seit einiger Zeit beschäftigte, nämlich die Frequenzen elektromagnetischer Strahlung, die von einem Objekt bei verschiedenen Temperaturen emittiert wird. Er schlug vor, dass Energie in kleinen, unteilbaren Einheiten vorliegt, die er Quanten nannte. Albert Einsteins Arbeit über den photoelektrischen Effekt im Jahr 1905 lieferte starke experimentelle Beweise dafür, dass Quanten real sind. Erst 1926 wurde der Begriff „Photon“ jedoch erstmals – vom Chemiker Gilbert N. Lewis – zur Beschreibung von Lichtquanten verwendet.
Energie und Frequenz
Planck zeigte, wie die Energie eines Lichtquants mit seiner Frequenz zusammenhängt. Er definierte eine Konstante, die sogenannte Plancksche Konstante, die, wenn sie mit der Frequenz eines Lichtquants multipliziert wird, seine Energie ergibt. Daher haben hochfrequente Photonen, wie die von Röntgenstrahlen, mehr Energie als solche von niederen Frequenzen, wie etwa Radiowellen. Die Plancksche Konstante ist extrem klein; Die meisten Lichtquellen produzieren jedoch eine enorme Anzahl dieser Teilchen, sodass die Gesamtenergie beträchtlich sein kann.
Quantenelektrodynamik
Als sich die Quantentheorie entwickelte, wurde klar, dass die Kräfte der Natur auf irgendeine Weise von Agenten getragen werden müssen, die nicht schneller als Licht reisen können, und dass diese Agenten „quantisiert“ werden müssen: Sie können nur als Vielfache unteilbarer Einheiten existieren. Der Zusammenhang zwischen Licht, Elektrizität und Magnetismus wurde bereits im 19. Jahrhundert deutlich. Licht und andere Formen elektromagnetischer Strahlung wurden damals jedoch als Wellen angesehen. Nach der Entdeckung der Photonen wurde eine neue Theorie namens Quantenelektrodynamik entwickelt, die erklärt, wie Photonen die elektromagnetische Kraft tragen.
Die Lichtgeschwindigkeit
Photonen bewegen sich im Vakuum immer mit Lichtgeschwindigkeit, das sind ungefähr 186,000 Kilometer pro Sekunde. Nach Einsteins spezieller Relativitätstheorie ist es keinem materiellen Objekt möglich, diese Geschwindigkeit zu erreichen, da die Masse mit der Geschwindigkeit zunimmt, so dass immer mehr Energie benötigt wird, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. Photonen reisen mit Lichtgeschwindigkeit, weil sie keine Masse haben.
Licht kann sich beispielsweise beim Durchgang durch Glas verlangsamen, einzelne Lichtteilchen werden jedoch nicht verlangsamt. Sie werden von Atomen absorbiert, die vorübergehend Energie gewinnen und diese in Form eines weiteren Photons mit derselben Frequenz schnell wieder abgeben. Dies geschieht oft, wenn Licht durch Glas (oder andere Substanzen) hindurchtritt, und die leichte Verzögerung zwischen der Absorption und Abgabe von Energie bedeutet, dass die Partikel länger brauchen, um durchzudringen, als sie durch Luft oder ein Vakuum hindurchgehen würden. Jedes Photon bewegt sich jedoch immer mit Lichtgeschwindigkeit.
Die spezielle Relativitätstheorie zeigt, dass Reisen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit einige seltsame Konsequenzen haben. Beispielsweise verlangsamt sich die Zeit relativ zu Objekten, die sich nicht bewegen, ein Effekt, der als Zeitdilatation bekannt ist. Wenn ein Astronaut von der Erde weg auf knapp unter Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann ein Jahr später – nach seinem Kalender – zurückkehrt, stellt er möglicherweise fest, dass zehn Jahre auf der Erde vergangen sind. Es ist einem Astronauten nicht möglich, die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, aber viele Leute haben darüber spekuliert, was Zeitdilatation für Photonen bedeutet. Nach der speziellen Relativitätstheorie muss die Zeit ganz stehen bleiben.
Ein Mensch, der die 2.2 Millionen Lichtjahre entfernte Andromeda-Galaxie betrachtet, sieht Photonen, die aus ihrer Sicht 2.2 Millionen Lichtjahre zurückgelegt haben und dafür 2.2 Millionen Jahre gebraucht haben. Man kann jedoch sagen, dass die Reise aus Sicht der Photonen überhaupt keine Zeit in Anspruch genommen hat und die zurückgelegte Strecke tatsächlich Null ist. Da jedes Lichtteilchen in einem Stern „geboren“ wird und existiert, bis es auf die Netzhaut des Astronomen trifft, könnte man aus eigener Sicht auch sagen, dass ein Photon für die Zeit Null existiert und daher überhaupt nicht existiert. Der Konsens unter Wissenschaftlern ist jedoch, dass es einfach keinen Sinn macht, sich Lichtteilchen so vorzustellen, dass sie einen Standpunkt haben oder etwas „erfahren“.