albrecht wagner, sylt, 3.8.05 1 einstein und das licht die arbeit von 1905 ihre bedeutung heute...

Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 1

Einstein und das Licht

•Die Arbeit von 1905

•Ihre Bedeutung heute

•Licht in der modernen Teilchenphysik

•Einstein auf der Suche nach der Weltformel

Einstein in 1905

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Die Veröffentlichung

Leipzig 1905

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Der Nobelpreis

• wenig spektakulärer Titel • Albert Einstein wurde für die Arbeit 1922 mit dem

Nobelpreis (1921) ausgezeichnet• Welche Aussage machte Einstein? • Wie bedeutend ist für uns heute, nach 100 Jahren, diese

Arbeit?

• War sie so wichtig, dass Einstein dafür den Nobelpreis zu Recht bekam – „für seine Leistungen auf dem Gebiet der theoretischen Physik, insbesondere für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts“

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Der Nobelpreis

Einstein ging von einer grundsätzlichen Feststellung aus:

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Wesentliche Aussage

• Einsein stellte die Hypothese aufstellt, dass Licht sich unter gewissen Umständen nicht wie eine elektromagnetische Welle verhält, sondern aus lokalisierten Paketen von Energie – den Lichtquanten, Photonen – besteht.

• Er zeigte, dass diese Hypothese eine Reihe von experimentellen Beobachtungen erklären konnte, vor allem den so genannten ‚Photoeffekt’.

• Bereits fünf Jahre zuvor hatte Max Planck bei seiner theoretischen Beschreibung der Strahlung heißer Körper entdeckte, dass Energie nur in Paketen einer gewissen Mindestgröße abgestrahlt werden kann, und damit die Grundlage für die Quantenphysik gelegt:

E = h

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Der photoelektrische Effekt

• Beobachtung, dass Licht beim Auftreffen auf eine Oberfläche dort Elektronen freisetzt.

Erste Beobachtung durch H. Hertz

(1887)

Detaillierte Untersuchungen durch Ph. Lenard

(1902)

-> irritierende Ergebnisse

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Der photoelektrische Effekt

• Licht setzt Elektronen frei. • Dabei steigt die Energie der

Elektronen mit wachsender Frequenz des Lichts, ist aber von der Intensität des Lichts unabhängig.

• Emax = h - P

Einstein konnte alle Beobachtungen dadurch erklären, dass er annahm, dass „ein Lichtquant seine ganze Energie an ein einzelnes Elektron (in dem beleuchteten Material) abgibt“.

Auf Grund seiner Überlegungen machte Einstein eine genaue experimentelle Vorhersage, die allerdings erst 10 Jahre später bestätigt wurden.

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Welle-Teilchen Dualismus

Zentrales Element der Quantenphysik:

• Licht kann entweder Welle oder Teilchen sein

• Das gleiche gilt auch für Materie, z.B. Elektronen (de Broglie)

Stets beide Eigenschaften vorhanden, nicht entweder die eine oder die andere.

Objekte weisen sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften auf,

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Welle - Teilchen

Licht als Welle erzeugt Interferenzmuster

Licht (Photonen) als Teilchen können einzeln gezählt werden

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Der Compton Effekt

• Noch 1920 war die Teilchennatur (Photon) des Lichts ein kontroverses Thema. Ein Schlüsselexperiment war das von Arthur H. Compton:

Anstieg der Wellenlänge von Röntgenstrahlung (elektromagnetische Strahlung) bei Streuung an Elektronen.

Erklärung durch Compton (1922) durch Annahme von Photonen. Photonen haben Energie und Impuls wie Materie; aber auch Welleneigenschaften wie Wellenlänge und Frequenz.

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Die Quanten-Hypothese

• Sowohl für Planck wie für Einstein blieb die Quanten-Hypothese ein Rätsel und Problem. Wahrscheinlich nannte Einstein seine revolutionäre Hypothese deshalb einen „heuristischen Gesichtspunkt“, der es möglich machte gewisse Experimente zu erklären.

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Das Photon heute

• Der Photoeffekt begegnet uns heute im täglichen Leben immer wieder und das Konzept des Lichtquants ist fester Bestandteil der Physik in allen Bereichen, die mit Licht zu tun haben, wie in

– Lasern (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation )

– Photozellen, – Nachweisgeräten für Licht – aber auch in der Teilchenphysik.

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Der Laser

• Energiezufuhr hebt Elektron in Atom, Molekül oder Kristall in angeregten Zustand

• Licht entsteht, wenn Elektron von energiereicheren zu energieärmeren Zustand wechselt,

• Energiedifferenz wird in Form eines Lichtteilchens (Photon) abgegeben.

• Der entgegengesetzte Vorgang heißt Absorption

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Der Laser

Bei herkömmlichen Lichtquellen erfolgt dieser Übergang durch spontane Emission: Zeitpunkt und Richtung der Aussendung des Photons sind zufällig.

Beim Laser erfolgt dieser Übergang durch stimulierte Emission: Ein Lichtteilchen stimuliert diesen Übergang, und dadurch entsteht ein zweites Lichtteilchen, dessen Eigenschaften (Frequenz, Phase, Polarisation und Ausbreitungsrichtung) mit dem des ersten identisch sind

-> Lichtverstärkung.

Einstein hat 1917 wichtige theoretische Grundlagen für den Laser gelegt:

Stimulierte Emission, Besetzungsinversion

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Der Laser in der Anwendung

Vielfältige Anwendungen:

Forschung

Werkstoffbearbeitung

Medizin

Messtechnik

Datentechnik (CD Player, Datenübertragung…)

Unterhaltung

…”Eine Lösung auf der Suche nach einem Problem”…

(Townes ~1950er, Maiman 1960)

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Die Elemente des Lasers

Funktioniert aber nicht bei Röntgenstrahlung, da es dafür keine Spiegel gibt….

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DESY, mit Partnern aus 11 Ländern, hat wesentlich zur Verbesserung der Beschleingertechnologie beigetragen und damit die Basis für den Bau eines XFEL gelegt.

Brillanz:~ 109 höherLichtblitzlänge:• 1000 mal kürzer

• Kohärenz• Wellenlänge = atomare Abstände

Röntgen (X)FEL – ein revolutionärer Laser

Röntgenlaser basiert auf neuartigem Prinzip und Nutzung von Beschleuniger

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beam of light

light travels in 1,5 sec from earth to moon

human hair

100 femto-seconds 30 µm

What is short, what is ultra-short timeKurze Pulse

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Sichtbar machen von Bewegungen in Materie mit atomarer Auflösung in Raum und Zeit

Filmen von Prozessabläufen in Physik, Chemie und Biologie

Abstände < Nanometer

Zeiten ~ Femtosekunden

Bild von biologischem Molekül mit atomarer Auflösung

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Stroboskopische Bilder

Das bewegte Objekt wird mit dem Blitzlicht bekannter Blitzfrequenz einer Stroboskoplampe beleuchtet.

Bei offenem Kameraverschluss wird der Film bei jedem Blitz neu belichtet und so die Position des Gegenstandes zu jedem Blitzzeitpunkt aufgezeichnet.

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Prototyp Anlage bei DESY in HH

Nutzerbetrieb wurde heute, am 3. August 2005, durch Bundeskanzler Schröder offiziell eröffnet

TTF 1

TTF 2

Experimentierhalle

VUV-FEL an der TESLA Test Facility

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RF gun

FEL experimental

area

bypass

4 MeV 150 MeV 450 MeV 1000 MeV

undulatorscollimator

bunch compressorLaser

bunch compressor

accelerator modules

Beschleuniger Undulator

Aufbau des Lasers

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Das Europäische Röntgenlaser Projekt

• Vorschlag Okt. 2002: X-ray FEL mit 20 GeV superleitendem Linearbeschleuniger

• Zustimmung durch Bundesregierung im Feb. 2003 als Europäisches Projekt

• Bereitschaft 50% der Kosten zu übernehmen, der Rest soll von den europäischen Partnern, sowie HH, SH getragen werden.

TESLA XFELFirst Stage of the X-Ray Laser Laboratory

Technical Design Report

Supplement

October 2002

TESLA XFELFirst Stage of the X-Ray Laser Laboratory

Technical Design Report

Supplement

October 2002

TESLA XFELFirst Stage of the X-Ray Laser Laboratory

Technical Design Report

Supplement

October 2002

Der Europäische Röntgenlaser

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Stand des Europäischen XFEL Projekts

• 12 Länder haben dieses Memorandum of Understanding unterschrieben (Denmark, France, Germany, Greece, Hungary, Italy, Poland, Russland, Spain, Sweden, Switzerland, United Kingdom).

• Diskussion mit Niederlanden und China

Projekt zur Zeit in Vorbereitungsphase, definiert durch ein Memorandum of Understanding

Staatsvertrag zwischen HH und SH

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Das Photon in der Teilchenphysik

Das Standard Modell

Bausteine

Kraftfelder und deren Quanten

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Die Kräfte der Natur

Gravitation

Schwache Kraft

Elektromagnetische Kraft

Starke Kraft

Graviton

Z, W Bosonen

Photon

Gluonen

Art der Kraft Träger der Kraft

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Ein weiteres Gesicht des Photons

• Bei Untersuchungen der Teilchenphysik hat sich aber auch gezeigt, dass das Photon zwei Gesichter hat.

• Welches davon man sieht hängt vom Experiment ab. Dies ist eine direkte Folge der Quantentheorie (Heisenberg‘sche Unschärfe Relation)

Quark

Antiquark

Photon

Photon

• Photon -> Quark-Antiquarkpaar (+ Glonen) -> Photon

• D.h. Photon erscheint wie ein “Sack” von Quarks -> unterliegt der starken Kraft

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Die Suche nach der Einheit der Natur ist das zentrale Thema von Einsteins wissenschaftlicher Biographie.

Daher suchte er über 40 Jahre nach dieser Vereinigung

Erst heute vermuten Theoretiker eine mögliche Antwort zu kennen: String-Theorien..

Einstein und die Weltformel

Vereinigung der Quantenphysik und allgemeinen Relativitätstheorie

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• Stringtheorien sagen neue Teilchen voraus: Supersymmetrie

• Stringtheorien sagen mehr als 4 Dimensionen voraus (einige könnten messbar groß sein)

Elementarteilchen = Anregungen eines elementaren Strings: 10-33 m

Von Teilchen zu Strings - Stringtheorien

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Die Teilchenphysik ist an der Schwelle völlig neuer Erkenntnisse und Antworten auf offenen Fragen

Es beseht weltweiter Konsens, dass der Large Hadron Collider, im Bau bei CERN, durch einen Elektron-Positron Linear Collider ergänzt werden muss, der in globaler Zusammenarbeit gebaut werden soll

Auf des Suche nach einem Verständnis vonMaterie, Energie, Raum und Zeit

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Extra Raum Dimensionen

Emission von Graviton in die extra Dimensionen

+ Emission eines Photons (

Messung der Häufigkeit bei verschiedenen Energien erlaubt Messung der Zahl der extra Dimensionen

Häufigkeit für Erzeugung von nur einem Photon

Energie

= # of extra Dimensionene+e- -> G

•In wieviel Dimensionen leben wir?

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Dunkle Materie

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Zusammenfassung

• Auch aus heutiger Sicht war also Einsteins Arbeit zum Licht ohne Zweifel eine der wahrlich bahnbrechenden Veröffentlichungen der Physik

• Sie ist einer der Pfeiler der Quantenphysik, die nicht nur einer großer Erkenntnissprung war, sondern auch ungeahnte wirtschaftliche Konsequenzen hatte.

• Grundlagenforschung -> grundlegende Innovationen

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Nobel Prize 1921