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.

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1 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

2 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 2 Die Veröffentlichung Leipzig 1905

3 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 3 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

4 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 4 Der Nobelpreis Einstein ging von einer grundsätzlichen Feststellung aus:

5 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 5 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 genanntenPhotoeffekt. 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

6 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 6 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

7 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 7 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. E max = 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.

8 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 8 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,

9 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 9 Welle - Teilchen Licht als Welle erzeugt Interferenzmuster Licht (Photonen) als Teilchen können einzeln gezählt werden

10 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 10 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.

11 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 11 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.

12 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 12 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.

13 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 13 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.Photon Der entgegengesetzte Vorgang heißt AbsorptionAbsorption

14 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 14 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 sindFrequenz PhasePolarisation -> Lichtverstärkung. Einstein hat 1917 wichtige theoretische Grundlagen für den Laser gelegt: Stimulierte Emission, Besetzungsinversion

15 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 15 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)

16 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 16 Die Elemente des Lasers Funktioniert aber nicht bei Röntgenstrahlung, da es dafür keine Spiegel gibt….

17 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 17 DESY, mit Partnern aus 11 Ländern, hat wesentlich zur Verbesserung der Beschleingertechnologie beigetragen und damit die Basis für den Bau eines XFEL gelegt. Brillanz: ~ 10 9 höher Lichtblitzlänge: 1000 mal kürzer Kohärenz Wellenlänge = atomare Abstände Röntgen (X)FEL – ein revolutionärer Laser Röntgenlaser basiert auf neuartigem Prinzip und Nutzung von Beschleuniger

18 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 18 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 time Kurze Pulse

19 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 19 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

20 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 20 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.

21 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 21 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

22 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 22 RF gun FEL experimental area bypass 4 MeV150 MeV450 MeV1000 MeV undulatorscollimator bunch compressor Laser bunch compressor accelerator modules Beschleuniger Undulator Aufbau des Lasers

23 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 23 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.

24 Der Europäische Röntgenlaser

25 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 25 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

26 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 26 Das Photon in der Teilchenphysik Das Standard Modell Bausteine Kraftfelder und deren Quanten

27 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 27 Die Kräfte der Natur Gravitation Schwache Kraft Elektromagnetische Kraft Starke Kraft Graviton Z, W Bosonen Photon Gluonen Art der Kraft Träger der Kraft

28 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 28 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 (Heisenbergsche Unschärfe Relation) Quark Antiquark Photon Photon -> Quark-Antiquarkpaar (+ Glonen) -> Photon D.h. Photon erscheint wie ein Sack von Quarks -> unterliegt der starken Kraft

29 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 29 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

30 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 30 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

31 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 31 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 von Materie, Energie, Raum und Zeit

32 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 32 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 Dimensionen e+e- -> G In wieviel Dimensionen leben wir?

33 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 33 Dunkle Materie

34 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 34 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

35 Albrecht Wagner, Sylt, 3.8.05 35 Nobel Prize 1921