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Grundwissen

Welle - Teilchen - Dualismus

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Einige Experimente können besser mit dem Wellenmodell, andere besser mit dem Teilchenmodell des Lichtes erklärt werden.
  • Beide Modelle orientieren sich an unseren makroskopischen Erfahrungen, die zur Beschreibung der Mikroskopischen kaum geeignet sind.
  • Die Quantenphysik bildet ein den beiden Modellen übergeordnetes (stark mathematikorientiertes) Modell.

Wellen oder Teilchen?

nach R. Sexl: Materie in Raum und Zeit

Sowohl mit Licht als auch mit Elektronenstrahlung gibt es Experimente, wovon die einen eher mit dem Wellenmodell, die anderen eher mit dem Teilchenmodell verständlich erklärt werden können. Aber was ist Licht oder Elektronenstrahlung nun wirklich? Welle oder Teilchen? Ein Physiker formulierte dieses Dilemma für das Licht schon fast resignierend: "Montag, Mittwoch und Freitag ist das Licht eine Welle, Dienstag, Donnerstag und Samstag ist es ein Teilchen und am Sonntag ruht es."

Roman Sexl führt in seinem Buch "Materie in Raum und Zeit" verschiedene Ansätze auf, wie man mit dem Dilemma fertig werden könnte:

  • Es gibt Widersprüche in der Natur mit denen man Leben muss. Die einander widersprechenden Welleneigenschaften und Teilcheneigenschaften sind Beispiele hierfür.
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Abb. 1 Wellen- und Teilcheneigenschaften als natürlicher Widerspruch

Dieser etwas fatalistische Ansatz wird nicht weiter verfolgt. Es ist plausibler, Widersprüche in unseren Theorien über die Natur zu suchen, als in der Natur selbst.

  • Es ist zweckmäßig, manchmal das eine Modell und manchmal das andere Modell zu bevorzugen. Evtl. sind für die Erklärung weiterer Phänomene noch andere Modelle notwendig.
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Abb. 2 Nebeneinander von Teilchenmodell, Wellenmodell und anderen Modellen

Auch dieses beziehungslose Nebeneinander von Modellen, die nicht durch eine übergeordnete Theorie zu einer Einheit zusammengefasst sind, wird nicht weiter verfolgt.

  • Es gibt eine übergeordnete Theorie (Quantenphysik), welche geeignet ist, die Elemente der Mikrowelt (Quantenobjekte) zu beschreiben. Die Begriffe Welle und Teilchen sind an unserer „makroskopischen“ Erfahrung orientiert. Weder unsere Sinne noch unsere Sprache können die Mikrowelt geeignet erfassen. Die sehr unanschauliche, stark mathematisch orientierte und inzwischen äußerst erfolgreiche Quantentheorie ist mit den uns zur Verfügung stehenden mathematischen Mitteln nicht beherrschbar. Im Sinne des Lehrplans soll aber trotzdem auf dieser Stufe ein kleiner Einblick in die Gedankenwelt der Quantenphysik versucht werden.
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Abb. 3 Quantenphysik als übergeordnetes Modell

In diesem Zusammenhang soll der berühmte Physiker und Nobelpreisträger Richard FEYNMAN zitiert werden:
In sehr kleinen Dimensionen verhalten sich die Dinge wie nichts, von dem wir unmittelbare Erfahrung haben. Sie verhalten sich nicht wie Wellen, nicht wie Teilchen . . . oder irgendetwas, was wir jemals gesehen haben.

Das Bild der modernen Physik wird maßgeblich durch die Quantentheorie bestimmt. Dass selbst große Physiker mit dieser Theorie (zumindest anfangs) auch größere Probleme hatten, zeigen die folgenden - für uns "Normalverbraucher" etwas tröstlichen " Zitate.

Albert EINSTEIN (1879-1955):
  • 1917 - Den Rest meines Lebens werde ich darüber nachdenken, was Licht ist!
  • 1951 - Fünfzig Jahre intensiven Nachdenkens haben mich der Antwort "Was ist Licht?" nicht näher gebracht.
  • In einem Brief an Max Born über die Wahrscheinlichkeitsaussagen der Quantenphysik: „Die Theorie liefert viel, aber dem Geheimnis des Alten (Gott) bringt sie uns doch nicht näher. Jedenfalls bin ich überzeugt davon, dass der nicht würfelt.

Richard FEYNMAN (1918 - 1988)

  • Ich denke, ich kann davon ausgehen, dass niemand die Quantenmechanik versteht.
  • „Es gab eine Zeit, als Zeitungen sagten, nur zwölf Menschen verständen die Relativitätstheorie. Ich glaube nicht, dass es jemals eine solche Zeit gab. Auf der anderen Seite denke ich, es ist sicher zu sagen, niemand versteht Quantenmechanik.“

Max BORN (1882 - 1970)

Der Nobelpreisträger Born schreibt in einem Brief an Einstein: "Die Quanten sind doch eine hoffnungslose Schweinerei."

Niels BOHR (1885 - 1962)

"Wenn mir Einstein ein Radiotelegramm schickt, er habe nun die Teilchennatur des Lichtes endgültig bewiesen, so kommt das Telegramm nur an, weil das Licht eine Welle ist."

Abbildungen auf dieser Seite:

Albert EINSTEIN: von Ferdinand Schmutzer [Public domain], via Wikimedia Commons
Richard FEYNMAN: By Copyright Tamiko Thiel 1984 (OTRS communication from photographer) [CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons
Max BORN: von Unbekannt [Public Domain], via Wikimedia Commons
Niels BOHR: von Unbekannt (http://www.dfi.dk/dfi/pressroom/kbhfortolkningen/) [Public domain], via Wikimedia Commons