Teilchen-Welle-Dualismus

Die Natur lässt sich anscheinend nicht gern festlegen: Wann immer Forscher glaubten, ihrer Struktur auf die Schliche gekommen zu sein, folgte bald darauf der Beweis des Gegenteils. Bis zum Aufkommen der Quantenphysik: Hier sind Behauptung und Gegenbehauptung gleichzeitig wahr.

Manch Physiker behauptet ja, wer zu viel von klassischer Physik verstehe, habe mit der Quantentheorie umso mehr Probleme. In diesem Sinn – Glückwunsch, falls Physik noch nie zu Ihren Lieblingsfächern gehörte. Wir brauchen für die kommenden Kapitel allerdings eine gemeinsame Grundlage, damit wir uns in derselben Sprache miteinander unterhalten können. Es handelt sich nicht um eine neue Sprache, Sie brauchen nur wenige neue Wörter zu lernen. Eher ist das Deutsch der Quantenphysiker etwa mit dem bayerischen Dialekt vergleichbar.

Quanten-Bayrisch für Nicht-Physiker

Wenn ein Bayer von „obi“ spricht, meint er weder den Baumarkt, noch kommt das Wort, wie man als „Zugroaster“ (Zugereister) vermuten könnte, vom hochdeutschen Adjektiv „oben“. Im Gegenteil: „Gehma obi“ fordert dazu auf, nach unten zu gehen (während „aufi“ nach oben will). So kompliziert ist der Dialekt der Physiker zum Glück nicht. Die Wörter bekommen höchstens manchmal eine neue, meist eine tiefere und fast immer eine genauer bestimmte Bedeutung.

So ist etwa ein Teilchen in der Umgangssprache ein (kleines) Teil von etwas Größerem. Es hat eine ganze Reihe von Eigenschaften – Ort, Größe, Struktur, Farbe und so weiter. Diese Eigenschaften ändern sich mit der Zeit: Ein Apfel fällt vom Baum. Hebt ihn niemand auf, ändert er Farbe und Struktur. Doch diese Veränderungen sind vorhersagbar, sie sind determiniert.

Die klassische, vor allem von Newton formulierte Mechanik verrät, wie schnell der Apfel aus einer bestimmten Höhe auf dem Boden landet (mit den Bewegungsgleichungen wurden wir alle in der Mittelstufe traktiert). Die Chemie weiß, wie der Apfel seine Farbe ändert, die Biologie trifft Vorhersagen, was aus dem Kern womöglich irgendwann entsteht. Dass ein Apfel nach oben statt nach unten fällt oder aus seinem Kern ein Pflaumenbaum wächst, ist je nach Sichtweise unmöglich oder ein Wunder. Der Physiker sagt: Die Wahrscheinlichkeit dafür ist Null.

Das klassische Teilchen

Chemie und Biologie sollen uns hier aber nicht interessieren, wir beschränken uns auf die Mechanik, eine Disziplin der Physik. Mechanische Kenngrößen eines Apfels (als Verkörperung des Teilchens) sind seine Masse, sein Ort und seine Geschwindigkeit. Multipliziert man Masse und Geschwindigkeit, erhält man den Impuls. Der Impuls entscheidet, was beim Zusammenstoß zweier Teilchen passiert. Vielleicht erinnern Sie sich noch an das Schulexperiment mit dem Kugelpendel, der das Gesetz der Impulserhaltung demonstrieren sollte: Weil der Impuls in einem geschlossenen System erhalten bleibt, bewegt sich nach einer Kollision das vorher stationäre Teilchen, während der Unfallverursacher stehenbleibt.

Bild1: Das Kugelpendel, das die Impulserhaltung demonstriert

Eine andere, sehr praktische Eigenschaft von Teilchen scheint auf den ersten Blick trivial. Sie lassen sich abzählen! Ein Apfel, zwei Äpfel... Nur, weil wir das bereits in den ersten Lebensjahren erlernen, ist es deshalb nicht weniger bemerkenswert. Denn nur weil Teilchen zählbar sind, lassen sie sich auch in der Art addieren und subtrahieren, die Ihnen die freundliche Grundschullehrerin beibrachte, bevor der fiese Mathe-Pauker Ihnen sämtlichen Spaß am Rechnen nahm.

Die klassische Welle

Auf den Gegenspieler des Teilchens, die Welle, trifft das nämlich nicht zu. Bevor Sie mir aus der Erinnerung an Ihren letzten Urlaub am Meer widersprechen, muss ich mit einem geläufigen Missverständnis aufräumen. Doch lassen Sie uns zunächst in Gedanken zurück an den Strand fliegen. Da diese Reise kostenlos im Kaufpreis des eBooks enthalten ist, lasse ich Ihnen die Wahl des Ziels. Tahiti ist für den Zweck der Erklärung ebenso brauchbar wie die Malediven oder das Rote Meer und vielleicht auch der Bodensee. Allerdings sollten wir uns keinen windstillen Tag aussuchen. Gebraucht werden außerdem eine Luftmatratze und Sie als Versuchsperson. Lassen Sie sich auf Ihrer Unterlage treiben.

Spüren Sie, wie das Meer Sie hebt und senkt? Wellental folgt auf Wellenberg, in nicht endender Folge. Was Sie spüren, sind nicht etwa viele einzelne Wellen, sondern Auslenkungen einer einzigen Welle. Die Welle ist dort, wo Sie gerade treiben, sie bricht sich aber auch gerade am Strand oder bildet weit draußen im Meer Berge und Täler. Die Welle hat im Gegensatz zum Teilchen keinen definierten Ort.

Falls Ihre Luftmatratze bei diesem Experiment abtreibt, liegt das übrigens zum geringsten Teil an der Welle. Vielleicht bläst Sie der Wind in eine bestimmte Richtung, oder Sie treiben auf einer Meeresströmung. Die Welle selbst bewegt sich nicht fort, man kann ihr keine Bewegungs-Geschwindigkeit zuordnen (für die Physiker unter uns – alle anderen bitte weghören): Ich spreche hier von der einzelnen, idealen Welle, nicht von einem Wellenpaket). Dass sich Berge und Täler bilden, liegt an einer unaufhörlichen, ellipsenförmigen Bewegung der H2O-Moleküle, aus denen die Welle besteht.

Statt von Ort und Impuls wird eine Welle physikalisch von anderen Größen beschrieben. Der Betrag der Auslenkung etwa, also die Distanz zwischen Wellenberg und -tal, heißt Amplitude. Der räumliche Abstand, in dem zwei Wellenberge aufeinander folgen, heißt Wellenlänge, der zeitliche Abstand hingegen heißt Frequenz. Wellenlänge und Frequenz sind umgekehrt proportional: Je größer die Wellenlänge, desto kleiner die Frequenz.

Bild 2: Kennzeichen einer Welle

Ganz ohne Geschwindigkeit kommt aber auch die Beschreibung einer Welle nicht aus. Sie kommt zum einen ins Spiel, wenn man misst, wie schnell sich ein Wellenberg vorwärts bewegt – das gibt die so genannte Phasengeschwindigkeit an. Dabei handelt es sich aber um eine Eigenschaft der Welle insgesamt. Da ihr kein Ort zuzuordnen ist, kann sie diesen Ort auch nicht ändern.

Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass Wellen nicht wie Teilchen zählbar sind. Sie können zwar mitzählen, wie viele Wellenkämme in einer bestimmten Zeit an das Ufer branden. Damit haben Sie aber lediglich die Frequenz der einen Welle bestimmt, die Sie die ganze Zeit beobachten. Und wie lassen sich zwei Dinge zusammenrechnen, die nicht zählbar sind? Jedenfalls nicht mit der gewohnten Teilchenarithmetik von 1 plus 1 gleich 2. 1 plus 1 ergibt bei Wellen selten 2 – öfter kommen Werte zwischen 0 und 2 zusammen.

Was passiert, hängt davon ab, wie Wellen und Täler der beiden Wellen aufeinander treffen – die Physiker nennen diesen Vorgang Interferenz. Liegen die Wellenkämme genau übereinander (man nennt solche Wellen „phasengleich“ oder „in Phase“), erhöht sich der Ausschlag (konstruktive Interferenz). Treffen sich hingegen Berg und Tal (die Wellen sind dann „gegenphasig“ oder „außer Phase“), bleiben kleinere Amplituden übrig (destruktive Interferenz).

Bild 3: Interferenz

Ein zweites typisches Wellen-Phänomen ist die Beugung. Trifft ein Teilchen auf ein Hindernis, prallt es unvermeidlich davon ab. Hat das Hindernis ein Loch, prallt das Teilchen immer noch ab – es sei denn, es trifft zufällig das Loch. In diesem Fall bewegt es sich geradlinig hindurch. Anders im Reich der Wellen: Jedes Loch und auch jede Kante wird zum Ursprung einer neuen Welle. Erinnern Sie sich an die typischen Wellenformen etwa in einer Hafeneinfahrt? Solche Muster zeigen auch andere Wellen, etwa der Schall. Das ist auch der Grund dafür, dass der Straßenlärm ins Zimmer dringt, obwohl das Fenster nur einen Spalt weit offen steht.

Das Licht als Welle

Licht hingegen zeigt ein solches Verhalten auf den ersten Blick nicht. Licht wirft, anders als etwa der Schall, scharf begrenzte Schatten. Die Naturforscher nahmen deshalb bis zum Ende des 18. Jahrhunderts an, dass es aus einem Strom winziger Teilchen bestehen müsse. Der italienische Jesuit und Physiker Francesco Maria Grimaldi hatte zwar schon im 17. Jahrhundert die Beugung des Lichts gemessen und in einer 1685 posthum veröffentlichten Schrift auch die Bezeichnung „Diffraktion“ geprägt.

Bild 4: Beugung von Wasserwellen an einem Durchlass

Trotzdem sollte es noch über 100 Jahre dauern, bis der britische Forscher Thomas Young die Fachwelt von der Wellennatur des Lichts überzeugen konnte. 1803 stellte er in einem Vortrag vor der Royal Society in London sein Doppelspalt-Experiment vor, das in den verschiedensten Abwandlungen später auch noch die Quantenphysik zu begründen half.

Young zeigte, dass dieses sich nicht geradlinig wie ein Teilchenstrom ausbreitet, sondern die von Wasser- und Schallwellen bekannten Interferenzmuster ausbildet – als Abfolge dunkler und heller Streifen erkennbar. Dass das mit dem bloßen Auge nicht zu bemerken ist, liegt an der kurzen Wellenlänge des Lichts. Während Wellen im Wasser in der Größenordnung Meter messen, sind Lichtwellen nur etwa einen Zehntel Mikrometer lang, also etwa einen Zehntausendstel Millimeter. Entsprechend eng müssen auch die Durchlässe sein, an denen man das Interferenz-Experiment durchführen will. Youngs Versuch (und die Experimente nachfolgender Forscher) schienen die Debatte um die Natur des Lichts erst einmal beendet zu haben.

Bild 5: Thomas Youngs Zeichnung der Beugung und Interferenz des Lichts an zwei Durchlässen

Das Licht als Teilchen

So ein paar kleine...