Der Ursprung der Quantennatur des Lichts in den Maxwellschen Gleichungen: Von Cheyney unterstützte Forschung revolutioniert die Sichtweise auf Licht

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LITLINGTON, England, 18. Juli 2025 /PRNewswire/ -- Ein aktueller Forschungsartikel, der von Cheyney Design and Development, einem führenden Unternehmen im Bereich Röntgeninspektion und Bildgebungstechnologien, unterstützt wurde, präsentiert eine revolutionäre Perspektive auf die Natur des Lichts. Der in Annals of Physics (eine Elsevier-Zeitschrift) veröffentlichte Artikel von Dr. Dhiraj Sinha, einem Fakultätsmitglied der Plaksha University, zeigt, dass Einsteins Theorie der Photonen ihren Ursprung in Maxwells elektromagnetischen Feldern hat. Sie räumt mit der jahrhundertealten wissenschaftlichen Überzeugung auf, dass Photonen nicht physisch mit der elektromagnetischen Feldtheorie verbunden sind, die von dem großen schottischen Physiker James Clerk Maxwell entwickelt wurde. Die Forschung basiert auf einer früheren Entdeckung über elektromagnetische Strahlung, die in Physical Review Letters veröffentlicht und von Cheyney finanziert wurde. Sie bot einen einheitlichen theoretischen Rahmen für die Strahlung von Radio- bis zu optischen Frequenzen, wobei das Argument verwendet wurde, dass die Strahlung aufgrund der gebrochenen Symmetrie des elektromagnetischen Feldes erzeugt wird. Er ist ein Beleg für das Engagement des Unternehmens, bahnbrechende wissenschaftliche Entdeckungen zu fördern.

Die physikalische Natur des Lichts ist ein faszinierendes wissenschaftliches Rätsel, da es sich im freien Raum wie eine Welle und bei der Wechselwirkung mit Materie wie ein Teilchen verhält. Die theoretischen Arbeiten von Maxwell über Licht als elektromagnetische Welle aus dem Jahr 1865 wurden 1887 von Heinrich Hertz empirisch bestätigt. Der breite wissenschaftliche Konsens über das Licht wurde jedoch innerhalb eines Jahrzehnts zunichte gemacht. Experimente zum photoelektrischen Effekt, bei dem Elektronen erzeugt werden, wenn Licht auf ein Metall trifft, widersprachen der Maxwellschen Lichttheorie. Albert Einstein legte 1905 das heuristische Argument vor, dass das Licht aus Teilchen oder Photonen besteht, deren Energie proportional zu ihrer Frequenz ist. Sie könnte die empirische Beobachtung erklären, dass die Energie der Elektronen beim photoelektrischen Effekt linear von der Frequenz des Lichts abhängt. Die Idee der Akzeptanz und der dualen Natur des Lichts bildet die derzeitige Grundlage für unsere phänomenologische Interpretation des Lichts.

Dr. Sinha hat versucht, den jahrhundertealten Glauben zu verändern, indem er zeigte, dass die elektromagnetische Feldtheorie von Maxwell die Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen erklären kann. In dem kürzlich erschienenen Artikel wird die Rolle des zeitlich variierenden Magnetfelds von Licht hervorgehoben, das ein elektrisches Potenzial im Raum erzeugt. Dr. Sinha argumentiert, dass ein Elektron durch das elektrische Potential des Lichts erregt wird, das mathematisch als dj/dt definiert ist, wobei j der magnetische Fluss der Strahlung und t die Zeit ist. Dies bedeutet, dass die Nettoenergieübertragung auf ein Elektron der Ladung e W=edj/dt ist. Transformiert man den Energieausdruck in den Frequenzbereich oder die Phasordarstellung, erhält man die Energie eines Elektrons als ejw, wobei w die Winkelfrequenz des Lichts ist. Dr. Sinha argumentiert, dass dies ähnlich ist wie Einsteins Ausdruck für die Energie eines Photons ħw, wobei ħ die reduzierte Plancksche Konstante ist. So erregt das Licht die Elektronen gemäß der Maxwell-Faraday-Gleichung des klassischen Elektromagnetismus. Der theoretische Rahmen wird durch experimentelle Beobachtungen zur Quantifizierung des magnetischen Flusses in supraleitenden Schleifen und zweidimensionalen Elektronengassystemen unterstützt. Die Tatsache, dass die Quantennatur des Lichts ihren Ursprung in den elektromagnetischen Feldern von Maxwell hat, ist revolutionär.

Eine Reihe von Physikern hat sich zur Unterstützung von Dr. Sinha geäußert. Richard Muller, Professor für Physik an der University of California Berkeley und leitender Wissenschaftler am Lawrence Berkeley Laboratory, kommentierte: „Die Ideen sind faszinierend und sprechen die grundlegendsten der ungeklärten Fragen der Quantenphysik an, einschließlich des Teilchen-Wellen-Dualismus und der Bedeutung der Messung." Jorge Hirsch, Physikprofessor an der Universität von Kalifornien, San Diego, schrieb ein Unterstützungsschreiben an die Mitglieder des Redaktionsausschusses. Steven Verrall, ehemaliges Fakultätsmitglied an der University of Wisconsin La Crosse, sagte: „Dr. Sinha bietet einen neuen semiklassischen Ansatz zur Modellierung von Quantensystemen. Ich denke auch, dass sein einzigartiger Ansatz letztendlich wertvolle Erkenntnisse für die weitere Entwicklung semiklassischer effektiver Feldtheorien in der Niederenergiephysik liefern kann." Lawrence Horwitz, emeritierter Professor an der Universität Tel Aviv, erklärte: „Dieser Artikel ist in der Tat ein wertvoller Beitrag zur Theorie der Photonen und Elektronen." 

Dr. Sinhas Entdeckung bietet einen neuartigen theoretischen Weg zur Entwicklung integrierter Funk- und Photonikgeräte, indem die Prinzipien des klassischen Elektromagnetismus nahtlos in moderne Photonikgeräte integriert werden. Sie wird weitreichende Folgen für Technologien wie Solarzellen, Laser und Leuchtdioden haben, die ausschließlich auf den Prinzipien der Quantenmechanik beruhen. Sie schafft eine völlig neue Umlaufbahn und einen transformativen Weg zu neuen Funk- und Photonentechnologien.

Dr. Dhiraj Sinha fügte hinzu: „Die Arbeit begann während meiner Doktorandenzeit an der University of Cambridge, und die frühe Unterstützung durch Cheyney war entscheidend. Während meiner Postdoc-Arbeit am Massachusetts Institute of Technology kam es zu einer entscheidenden Wende. Die empirischen Ergebnisse, die durch umfangreiche Experimente in einem breiten Spektrum von Radio- und optischen Frequenzen erzielt wurden, führten zur Entdeckung der fehlenden theoretischen Verbindung zwischen den Ideen von Einstein und Maxwell."

Zusätzliche Informationen

1. Sinha, D. Elektrodynamische Anregung von Elektronen. Annals of Physics, 473, 169893 (2025).
2. Sinha, D. & Amaratunga, G. A. Electromagnetic radiation under explicit symmetry breaking. Physical Review Letters, 114, 147701 (2015).

Informationen zu Cheyney Design & Development Ltd 

Cheyney Design & Development Ltd, Litlington, UK, gegründet von Richard Parmee, steht an der Spitze der Innovationen in der Röntgenprüftechnik. Mit seiner patentierten Spitzentechnologie und seinen fortschrittlichen stochastischen Algorithmen ist das Unternehmen technisch führend auf dem Gebiet der Röntgeninspektion. Cheyney widmet sich der Unterstützung von Innovationen im Frühstadium mit transformativem Potenzial in Wissenschaft und Technik.

Foto: https://mma.prnewswire.com/media/2733307/Electromagnetic_electrons.jpg