Der welle/teilchen-dualismus

Schon zu Newtons Zeiten waren die Physiker sich nicht darüber einig, ob das Licht nun aus Wellen oder aus Teilchen bestehe. Newton selbst sprach vom Licht aber als Teilchenstrom, und seine damalige Autorität reichte aus, die meisten seiner Kollegen zu überzeugen. Doch seit Beginn des 19. Jahrhunderts wurden laufend Experimente durchgeführt, die diese These entweder zu bestätigen oder zu widerlegen schienen. Es kam zu einer regelrechten Krise in der Physik, die sich dadurch bemerkbar machte, daß oft ein und derselbe Universitätsprofessor sowohl die Teilchen- als auch die Wellennatur des Lichts lehrte.
Im Jahre 1905, als gerade wieder das Wellenbild vorherrschte, veröffentlichte Albert Einstein seine Arbeit über den photoelektrischen Effekt (wofür er 1921 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde). Darin konnte er glaubwürdig darlegen, daß das Licht aus einzelnen Energiepaketen (Lichtquanten; später: Photonen) besteht. Bei seinem Versuch ging er dabei folgendermaßen vor: Eine Metallplatte wird mit ultraviolettem, also hochfrequentem Licht bestrahlt. Bei diesem Vorgang lösen sich Elektronen aus der Platte. Verringert man nun die Frequenz des Lichtes, so lösen sich keine Elektronen mehr ab; sogar wenn man die Bestrahlungsdauer beliebig erhöht. Der Grund liegt darin, daß die langwelligen Photonen für solch einen Vorgang einfach zu wenig Energie besitzen.
Wer allerdings dachte, mit diesem Versuch eine ausreichende Erklärung gefunden zu haben, der wurde bald enttäuscht[3]: 1924 schrieb Louis de Broglie in seiner Doktorarbeit von der Wellennatur des Elektrons (!). Dieses hatte bisher stets als Teilchen im klassischen Sinn gegolten. Es ist also durchaus verständlich, daß er beim Prüfungsausschuß auf Skepsis stieß. Erst als Albert Einstein, dem die Arbeit ebenfalls vorgelegt wurde, die darin enthaltenen Ideen lobte, erhielt de Broglie seinen Doktortitel. Drei Jahre später wurde seine Theorie schließlich experimentell bestätigt.
Doch was versteht man eigentlich unter den Welleneigenschaften des Elektrons? Vorhin sprach ich noch von Photonen, jetzt ist auf einmal von Elektronen die Rede.
Um den Leser nicht zu verwirren, möchte ich darauf hinweisen, daß man diese beiden Begriffe keinesfalls verwechseln darf. Photonen sind masselose Teilchen, die sich nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten können. Elektronen hingegen besitzen sehr wohl eine Ruhemasse und können sich folglich auch nur langsamer als das Licht bewegen. Darüber hinaus bilden sie die Hülle der Atome. Trotz dieser scheinbar krassen Gegensätze verbindet diese beiden (und auch alle anderen mikroskopischen Objekte) eine Eigenschaft, die sich Dualität von Welle und Teilchen nennt.
Zur Verdeutlichung dieses Begriffes ist das Doppelspaltexperiment recht gut geeignet: Hierbei geht es darum, daß man Elektronen (man könnte genausogut Photonen verwenden!) durch zwei schmale Spalte einer Metallplatte schickt. Nach der klassischen Vorstellung werden sie also als Teilchen fortgeschickt. Nachdem sie die beiden Öffnungen, durch die sie verschieden stark abgelenkt (gebeugt) werden, passiert haben, werden sie von einem Detektorschirm aufgefangen und dadurch sichtbar gemacht. Die Elektronen kommen auf diesem Schirm einzeln, also wiederum in Teilchenform an. Doch entgegen unserer logischen Erwartung bilden sie ein für Wellen (!) typisches Interferenzmuster. Um wieder klassische Begriffe zu verwenden, könnte man sagen, daß die Fortpflanzung des Elektrons in Wellenform abgelaufen ist.
Ich denke der Leser sollte jetzt ausreichend verwirrt sein, um die \"Wahrheit\" zu erfahren:
\"Wir glauben, daß deutlich gesagt werden soll, was das Licht ist, nämlich \"Licht ist keines von beiden\"; und genauso muß gesagt werden \"Das Elektron ist keines von beiden\". Denn beide Beschreibungen, Welle bzw. Teilchen, sind klassische Bilder und benutzen klassische, verständliche Größen zur Definition: Auf jeden Fall sind diese klassischen Begriffe nicht geeignet, ein quantenmechanisches Objekt vollständig zu beschreiben.\" (Hubich/Mathelitsch/Kobler, Schrödinger-Gleichung in der Schule?, S.9)
\"Wir müssen jegliche Hoffnung aufgeben, die Vorgänge auf atomarer Ebene mit unseren gängigen Begriffen und Vorstellungen wie Teilchen und Wellen anschaulich beschreiben zu können.\" (Hey/Walters, Quantenuniversum, S.19)
Das alles heißt natürlich nicht, daß Sie die angeführten Beispiele, in denen von Wellen bzw. Teilchen die Rede war, wieder vergessen sollen, weil sie ja sowieso \"falsch\" sind. Vielmehr sollten Sie sich bewußt werden, daß diese Begriffe nun einmal die einzigen sprachlichen Mittel sind, diese Phänomene darzustellen. Auf mathematische Weise können sie freilich viel besser erklärt werden, doch werden sie dadurch nur mehr für einen kleinen Personenkreis zugänglich und würden den Rahmen einer populärwissenschaftlichen Arbeit sprengen.
Aus diesem Grund werde ich hier auch weiterhin die klassischen Begriffe verwenden, in der Hoffnung, daß der Leser sie aus dem richtigen Blickwinkel betrachtet. Und falls Sie die Quantenmechanik immer noch für äußerst verwirrend halten, dann sei Ihnen ein Zitat des berühmten Physikers Richard Feynman ans Herz gelegt: \"...ich denke, ich kann davon ausgehen, daß niemand die Quantenmechanik versteht.\"