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Plattenkondensator  

Photonen und die Dunkle Materie


Die Deutung des Lichts hat in der Vergangenheit sehr verschiedene Phasen durchlaufen. Das ging hin sogar bis zu der Vermutung hin, das Licht werde von den Augen ausgesendet, um damit die Umwelt abzutasten. Newton hatte dagegen schon im 17 ten Jahrhundert das Licht als Ausbreitung von Korpuskeln zu erklären versucht. Christiaan Huygens und andere begründeten etwas später dann die Wellentheorie des Lichtes, und Maxwell erkannte im19 ten Jahrhndert, dass es sich dabei um elektromagnetische Wellen handeln musste, die sich mit Lichtgeschwindgkeit in einem Äther ausbreiten. Die Annahme, es gäbe einen Äther musste dann nach einem Experiment von Michelson-Morley aufgegeben werden, und die spezielle Relativitätstheorie wurde geboren, in der der vom Bezugssystemen unabhängige Betrag der Lichtgeschwindigkeit eine tragende Rolle übernahm. Um jedoch u.a. den Photoeffekt oder das Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers zu verstehen, wurde von Planck und Einstein zu Beginn des vorigen Jahrhunders eine ziemlich verblüffende Theorie entwickelt. Nach dieser Theorie soll ssich das Licht, je nach Fragestellung, entweder als Welle oder als Teilchen (Photonen) verhalten und man spricht von der Theorie des Welle-Teilchen-Dualismus. Diese Theorie war inzwischen so erfolgreich, dass sie etwas später als Grundlage für die bis heute gültige Quantenmechanik diente.

Weil jedoch das Postulat der dualen Lichtteilchen eben doch sehr ungwöhnlich ist, gab es und gibt auch heute noch Stimmen, die sich mit der unanschaulichen Seite dieser Theorie nicht abfinden können. Selbst Albert Einstein schrieb 1951 an seinen Freund Michele Besso: " Die ganzen 50 Jahre bewusster Grübelei haben mich der Antwort der Frage 'Was sind Lichtquanten?' nicht näher gebracht. Heute glaubt zwar jeder Lump, er wisse es, aber er täuscht sich".

Tatsächlich gibt es aber auch einen sehr schwerwiegenden Einwand gegen die duale Theorie des Lichtes: Soweit man nämlich nicht ausschließen kann, dass dasselbe Licht zugleich zwei Experimentatoren zur Untersuchung dient, müsste es dann auch möglich sein, dass sich dasselbe Licht für den einen Experimentator als Welle und für den anderen Experimentator sich als Teilchen verhält. Diese beiden sehr verschiedenen Verhaltensweisen des Lichtes würden dann zugleich unterschiedliche Konsequenzen nach sich ziehen, also unterschiedliche Kausalketten in Gang setzen.und damit gegen das Prinzip der Eindeutigkeit des Weltgeschehens
PEW verstoßen.


Übertragung des Lichtes zwischen den Atomen


Im Wellenbild des Lichts gehe ich davon aus, dass das Licht bei der Bewegung von Elektronen entsteht, deren Flugbahnen sich stückweise aus Kreissegmenten zusaammensetzen, zu denen jeweils eine Winkelgeschwindigkeit omega=2*Pi*Nue mit einer zugehörigen Drehachse gehören. Wie ich in meinem Aufsatz
E=h*Nue näher beschrieben habe, kann ein solches Ektron ein Lichtquant der Frequenz Nue nur dann emittieren, wenn sein Spin den Wert +h hatte und in seine Gegenrichtung -h "kippt", wobei sich sein Drehimpuls auf -h verkleinert. Dabei entsteht ein Lichtquant, das diese Differenz 2*h der beiden Spin-Drehimpulse sowie auch die Energie E=h*Nue übernimmt. Dieses Quant hat zunächst einen Wellenvektor in Bewegungsrichtung des Elektrons, breitet sich aber sofort mit Lichtgeschwindigkeit nach allen Richtungen aus und kann dann nur noch als Teil eines Wellenpakets, dessen weitere Bestandteile von anderen Elektronen stammen, wieder von einem Elektron absorbiert werden. Bei dieser Absoption müssen folgende Bedingungen erfüllt sein.

der Spin des empfangenden Elektrons muss auf "Empfang" also auf -h stehen.
Die augenblickliche Winkelfrequenz Nue des empfangenden Elektrons muss zu der Frequenz des Wellenpakets passen.
Der Wellenvektor des Wellenpakets muss mit der Bewegungsrichtung des empfangenden Elektrons übereinstimmen.
Die Energie des Wellenpakets muss gleich h*Nue
oder größer sein.
Der Drehimpuls des Wellenpaketes muss mindestens einen Betrag von 2*h haben, bezogen auf den Vektor der Winkelgeschwindigkeit des empfangenden Elektrons.

Die Energieübertragung zwischen den Elektronen und damit auch zwischen den Atomen, zu denen sie gehören, ist also im Wellenbild ein sehr komplexer Prozess. Dennoch bin ich überzeugt, dass er die tatsächlich stattfindende Übertragung richtig beschreibt. Wenn es aber nur auf die Übertragung der Energie und des Drehimpulses von einem Atom zu einem anderen Atom ankommt und nicht auf die Frage, wie sich diese Übertragung tatsächlich abspielt, kann man diese Übertragung durch einen sehr viel einfacheren "als-ob"-Prozess im Photonenbild ersetzen.

Obwohl das emittierte Lichtquant sich sofort nach Verlassen des emittierenden Elektrons in eine sich verdünnende Welle verwandelt, die keine Ähnlichkeit mit einem Teilchen hat, und obwohl ein absorbierendes Elektron sich seine Energie aus einem Wellenfeld "herausfischt", fast ohne Rücksicht darauf, wo dessen Bestantteile entstanden sind, tut man im Photonenbild so, als ob jedes absorbierte Lichtquant vollständig von genau einem emittierten Lichtquant abstamme. Dabei kann ein solches erdachtes Photon unterwegs auch Comptonstreuungen erfahren haben, bei denen sich seine Flugrichtung, seine Energie, sein Impuls und seine Frequenz verändert haben

Ein solches Photon existiert dann im Photonenbild solange als Teilchen, bis seine Energie durch eine Absorption oder durch Streuungen aufgebraucht ist. Je nach dessen Eigenschaften "entscheidet" dann ein mögliches Absorberatom, ob es im Fall, es würde von ihm getroffen, dadurch zu einem Quantensprung veranlasst werden kann.

In den meisten, aber nicht in allen Fällen reicht das Photonenbild für die Lösung der entsprechenden Probleme, aber es gibt auch Fälle, bei denen das Photonenbild entweder gänzlich versagt oder falsche Voraussagen macht;
...
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.....Da ein Photon nicht negativ sein kann, könen sich Photonen nicht gegenseitig wegheben, d.h. sie können nicht interferieren.

......Beim sogenannten Kollaps liefert das Photonenbild sehr wahrscheinlich eine falsche Beschreibung des Lichtes: Es handelt sich dabei z.B. um ein erdachtes Experiment, bei dem sich genau ein licht-emittierendes Atom inmitten eines von licht-absorbierenden Wänden umgebenen Raumes befindet. Während im Photonenbild das ausgesandte Photon an diesen Wänden irgendwo absorbiert werden kann, ist dies im Wellenbild mit der verdünnten Welle nicht möglich, es sei denn, die Natur realisiert tatsächlich einen Kollaps, bei dem sich das ausgesandte und inzwischen stark verdünnte Lichtquant am Ort eines Absorberatoms wieder in ein räumlich sehr kleines Quant zurück verwandelt und absorbiert wird, was man getrost für Unsinn halten kann. Das bedeutet, dass im Wellenbild das ausgesandte Lichtquant an den Wänden des erwähnten Raumes einfach nirgends absorbiert werden kann,

..........Verschränkung: Experimente haben gezeigt, dass die Spins von Photonen, die derselben Quellle entstammen aber in entgegengesetzte Richtungen fliegen, derart korrelieren können, dass man den Spin des einen Photons bereits kennt, wenn man lediglich den Spin des anderen Photons gemessen hat. Das würde voraussetzen, dass beide Photonen Teile entweder genau eines Emissionsprozesses sind, was aber auszuschließen ist, da jeder dieser Emissionsprozesse nur jeweils genau ein Photon erzeugen kann, oder dass bereits beide Emissionen auf rätselhafte Weise ganz eng verkoppelt waren. Es ist experimentell auch nicht einfach, unter den Photonen jene herauszufinden, die auf diese Weise miteinander verkoppelt sein könnten.

Dagegen lässt sich im Wellenbild eine Verschränkung leicht wie folgt erklären: Wenn ein Wellenpaket von einem Absorber als Lichtquant akzeptiert wird, gibt es - von den Quellen dieses Wellenpakets aus gesehen - in entgegengesetzter Richtung ebenfalls ein Wellenpaket, dessen Wellen-Beiträge zum etwa gleichgroßen Teil denselben kugelschaligen Lichtwellen entstammen wie das zuvor genannte Wellenpaket, dass also sozusagen beide Wellenpakete Kinder derselben Eltern sind. Alle diese "miteinander eng verwandten" Wellenpakete müssen daher auch noch in unterschiedlichen Entfernungen - von der betrachteten Photonenquelle aus gesehen - eine starke Korrelation aufweisen. Denkt man jedoch dabei an sehr große Abstände der Photonen-Messtellen, muss man allerdings räumlich sehr große Lichtquellen - am besten Sternenlicht - verwenden, damit beide Wellenpakete als Photonen überhaupt noch gemessen werden können.

Dass im Wellenbild diese Erklärung der Verschränkung immer zum Greifen nahe war, aber nie diskuttiert wurde, zeigt nur, wie sehr man an das Photonen-Bild auch heute noch glaubt und - wie Einstein gesagt haben soll - die Verschränkung für eine "spukhafte", zumindest aber nicht leicht zu verstehende Erscheinung hält. Ich muss allerdings darauf hinweisen, dass diese Erklärung einer Verschränkung nur für wirkliche Wellenerscheinungen, wie eben das Licht eine solche ist, gilt, und nicht für Materiewellen, wenn es diese überhaupt geben sollte.



Dunkle Materie (1)
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Es gibt zwei ganz verschiedene Erklärungen dafür, warum wir leuchtende Materie nicht sehen können. Die eine von ihnen hängt eng mit der oben zum Kollaps angestellten Überlegung zusammen. Sieht man nachts einen Stern, so sieht man im Wellenbild Wellenpakete, welche von unverdeckten Atomen dieses Sternes gespeist sind. Reichen diese wegen der großen Entfernung des Sterns sehr schwachen Beiträge aller seiner unverdeckt emittierenden Atome nicht zur Bildung von Wellenpaketen aus, die für eine Absorption auf der Netzhaut unserer Augen geeignet sind, wird der Stern für unsere unbewaffneten Augen unsichtbar. Daran würde sich auch nichts ändern, wenn wir unsere Augen durch eine lang belichtete Fotoplatte ersetzten. Etwas anderes wäre es, wenn wir Ferngläser oder gar große Teleskope für die Betrachtung des Himmels verwenden würden, da deren Sammel-Linsen infolge ihrer Größe in der Lage sind, einen größeren Teil der vom Stern kommenden Wellen auf unsere Netzhaut oder Bildplatte zu fokussieren und damit auch kleinere oder weiter entfernte Sterne sichtbar werden zu lassen. Die Grenzentfernung, oberhalb derer man einen Stern nicht mehr sehen kann, hängt somit von der Größe der Linse des Teleskops, von der Entfernung und von der räumlichen Größe des Sterns ab. Das bedeutet, dass wir von einer fernen Galaxie nur deren räumlich große bzw. näher gelegenen Sterne sehen können, während die kleineren und weiter weg liegenden Sterne zwar infolge ihrer Gravitationswirkungen wohl vermutet aber optisch nicht nachgewiesen werden können. Diese kleineren Sterne gehören dann zu einer sogenannten Dunklen Materie, die wegen ihrer Menge einen großen Prozentsatz an der Gesamtmasse einer Galaxie ausmachen kann. Auch wenn es für unsere Welt sehr wahrscheinlich keine Grenzen gibt, also wenn in jedem noch so kleinen Winkelsegment am Himmel unendlich viele Sterne zu erwarten sind, erblicken wir infolgedessen nur einen schwarzen Nachthimmel als Hintergrund für die größeren und näher gelegenen und daher sichtbaren Sterne

Das alles ist im Photonenbild anders. Hier gibt es für die Photonen, die sich ja nicht verdünnen können, keine Dunkle Materie und keine Begrenzung ihrer Entfernung für die Sichtbarkeit der Sterne, und der ganze Nachthimmel müsste bei einer unbegrenzten Welt in jedem Winkelsegment voller sichtbarer Sterne sein. Möglicherweise müssten sie sogar im Photonenbild einen so hellen Hintergrund bilden, dass sich die näher gelegenen Sterne mit ihrer Helligkeit von ihm nicht mehr abheben.


Dunkle Materie (2)

Der zweite Grund, warum wir manche Materie nicht sehen können ist für die Astronomie wesentlich interessanter. Da die Materie im Weltraum vornehmlich Gravitationskräften unterliegt, kann sie im Gegensatz zum Credo der
SRT beliebig hohe Geschwindigkeiten erreichen, weil diese Kräfte weder von der in den Maxwellgleichungen enthaltenen Lichtgeschwindigkeit c noch von anderen Geschwindigkeiten abhängen. Weiter unten erkläre ich das an einem Beispiel. Andererseits aber hängt die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum - übrigens auch wieder im Gegensatz zum Credo der SRT- von der Geschwindigkeit ihrer Quellen gegenüber einem Beobachter ab, was ich in meinem Artikel über die SRT erkläre. Und so kann es durchaus Licht geben, dessen Geschwindigkeit gegenüber einem Beobachter negativ ist, was bedeutet, dass dieses Licht für diesen Beobachter so stark verlangsamt ist, dass es nicht mehr auf ihn zu- sondern sogar von ihm weg läuft und damit seine Quelle für ihn unsichtbar ist. Um sich besser vorstellen zu können, was es bedeutet, dass die Geschwindigkeit des Lichts von der Geschwindigkeit seiner Quelle abhängt, ersetze man die Lichtquelle durch einen Mann auf einem Auto, das sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit von einem Beobachter entfernt. Wenn der Mann auf dem Auto dann Bälle mit dieser umgekehrten Geschwindigkeit in Richtung auf den Beobachter wirft, bleiben sie auf jenem Punkt auf der Straße liegen, über dem sie abgeworfen wurden. Erhöht das Auto seine Geschwindigkeit, fliegen die Bälle vom Beobachter weg. Sollte das Licht durch Weltraum-Staub fliegen, würde die Geschwindigkeit des Lichts dann statt von der Geschwindigkeit seiner Quelle von der Geschwindigkit dieses Staubes abhängen, der allerdings ebenfalls durch Gravitationskräfte Überlichtgeschwindigkeit erlangen kann.

Ein Beispiel, bei dem eine Masse durch eine Gravitationskraft auf Überlichtgeschwindigkeit gebracht wird, lässt sich leicht konstruieren. Man betrachte z.B. einen Stein, der aus der Ruhelage heraus im Vakuum auf die Erde fällt und dort die Geschwindigkeit w =a*c hat (c=Lichtgeschwindigkeit und a<1). Hatte er aber bereits beim Start eine Geschwindigkeit der Größe b*c, so hat er auf der Erde die Geschwindigkeit (a+b)*c und b braucht nur > 1-a zu sein, damit der Stein auf der Erde mit Überlichtgeschwindigkeit ankommt und für jenen Beobachter unsichtbar wird, der den Stein von dessen Startpunkt aus betrachten will. Die
SRT verbietet zwar Überlichtgeschwindigkeiten für die Materie, aber sie ist falsch, weil sie gegen das PEW verstößt.

Warum auch immer eine Materie sich als Folge von Gravitationskräften von uns mit Überlichtgeschwindigkeit entfernt, ist sie für uns unsichtbar und zwar unabhängig davon, wie groß die Linsen unserer Teleskope sind. Wenn die Astronomen die Geschwindigkeitsbegrenzung der
SRT vergessen könnten, würden ihnen gewiss zahllose Beispiele einfallen, bei denen die Sterne durch ihre Gravitationskräfte gemäß der Newtonschen Mechanik Überlichtgeschwindigkeit erreichen können und sich dabei auf uns zu ( das wären dann die sogenannten Quasare) oder eben sich von uns weg bewegen und unsichtbar werden. Stattdessen behilft man sich bisher mit der Vermutung, dass es materie- und lichthungrige Schwarze Löcher gibt, die aus aus einem rätselhaften Stoff bestehen.


Übrigens kann - wie schon angedeutet - das Licht beim Durchfliegen von Weltraum-Staub entsprechend der Geschwindigkeit dieses Staubes, die auch Überlichtgeschwindigkeit annehmen kann, sichtbar oder unsichtbar werden, ähnlich der resultierenden Geschwindigkeit des Schalls in zwei hintereinander verkoppelten Stäben, die unterschiedliche Schallgeshwindigkeiten haben. Dieser Staub übernimmt damit in bezug auf die Geschwindigkeit teilweise die Rolle der Lichtquellen.


Fazit

Für die meisten der heutigen Physiker dürfte diese einfache und naheliegende Erklärung der Dunklen Materie nicht akzeptabel sein, da diese zur Voraussetzung hat, dass die
SRT, an deren Richtigkeit sie ihr ganzes Berufsleben geglaubt haben, falsch ist. Es werden daher viele Jahre vergehen, ehe sich diese einfache Erklärung durchgesetzt hat. Immerhin dürfte aber schon heute überraschend sein, dass das trivial und etwas "hausbacken" anmutende PEW , dem allein die SRT ihre schlechte Beurteilung zu verdanken hat, auch solche, im wahrsten Sinne des Wortes "weitreichenden" Konsequenzen hat,

D
ass das Photonenbild "nur" eine vereinfachende "als-ob" Erklärung der von den Maxwellgleichungen beschriebenen Vorgänge ist, sollte seinen hohen praktischen Wert nicht schmälern.