Wellen und Teilchen: Eine unergründliche Dualität

Welle und Korpuskel: das Rätsel, das die Physik veränderte

Die Unzugänglichkeit der Quantenwelt

Die Welt der Teilchen wie das Elektron, das Photon, das Proton, das Atom, ist nicht durch unsere Wahrnehmungsorgane, einschließlich des Gehirns, zugänglich. Kein Bild, keine Interpretation könnte die Realität der Quantenwelt darstellen, selbst die Worte unserer Sprache sind ungenau, um Quantenphänomene zu beschreiben.

Alles, was man von dieser Realität sagen und zeigen kann, ist falsch, aber ich werde dennoch versuchen, Ihnen eine Vorstellung von diesem grundlegenden Konzept der Quantenphysik zu geben, dem Welle-Teilchen-Dualismus, obwohl dieser Begriff heute überholt ist, da man von Feldern sprechen müsste.

Die Superposition von Zuständen

In der Quantenmechanik hört man oft, dass ein Teilchen sowohl ein Korpuskel als auch eine Welle ist. In Wirklichkeit ist es weder ein Korpuskel noch eine Welle, sondern eine Superposition aller Zustände des Teilchens.

Die moderne Definition eines Quantenteilchens

Die technische Definition lautet: Ein Quantenteilchen ist eine fundamentale Entität, die eine Quantisierung von Energie und Information darstellt, die in der Raumzeit lokalisiert ist, durch die Prinzipien der Superposition, Verschränkung und Indeterminiertheit bestimmt wird und mathematisch durch eine Zustandsfunktion (Zustandsvektor) in einem Hilbert-Raum beschrieben wird.

Mit anderen Worten: Ein Quantenteilchen, das weder ein Korpuskel noch eine Welle ist, kann als eine quantisierte Anregung eines fundamentalen Feldes definiert werden, die durch die Quantenmechanik und die Quantenfeldtheorien beschrieben wird.

Moderne Beschreibung des Experiments namens Doppelspaltexperiment.

Der Versuchsaufbau

Die vier beobachteten Verhaltensweisen

• Wenn man Korpuskel (feste Körper) auf eine Wand schickt, die mit zwei Spalten durchbohrt ist, geht jedes Korpuskel durch den einen oder den anderen Spalt, prallt in alle Richtungen ab und die Aufprallpunkte markieren den Schirm etwas zufällig hinter den Spalten.
• Wenn man eine Welle auf dieselbe Wand schickt, geht die Welle durch beide Spalten, und der Durchgang durch die Spalten erzeugt zwei kleine Wellen, die sich überlagern; an bestimmten Stellen addieren sie sich, an anderen löschen sie sich aus, und auf dem Schirm erscheinen Interferenzstreifen.
• Wenn man ein Quantenobjekt schickt, geht es durch beide Spalten, interferiert wie eine Welle, doch wenn es den Schirm berührt, reduziert es sich plötzlich auf einen Punkt, eher dort, wo sich die beiden kleinen Wellen addieren. Nach einer großen Anzahl von Versuchen erscheinen sowohl Aufprallpunkte wie bei Korpuskeln als auch Interferenzstreifen wie bei Wellen.
• Fügt man jedoch einen Beobachter hinzu, um zu wissen, durch welchen Spalt das Teilchen geht, so reduziert sich die Welle nun auf ein Korpuskel auf Höhe der Spalten und geht nur noch durch einen Spalt gleichzeitig. Man misst dann auf dem Schirm Aufprallpunkte und keine Interferenzen.

N.B.:
Wie ist dieses Experiment zu interpretieren? Will man den Zustand eines Quantensystems bestimmen, muss man es beobachten, doch diese Beobachtung hat zur Folge, den betreffenden Zustand zu zerstören.

Wenn die Materie tanzt: der Welle-Korpuskel-Dualismus entschlüsselt

Die Quantenskala

Der Maßstab der Quantenphysik ist so klein, dass es unmöglich ist, ein Quantenobjekt so zu sehen, wie man eine Welle oder einen Ball am Strand sieht. Die Größe eines Wasserstoffatoms beträgt 53 pm (53 x 10^-12 Meter); man kann 10 Millionen Atome auf einem Millimeter anordnen.

Die Beobachtung und die Reduktion des Wellenpakets

Das Young-Experiment zeigt uns, dass ein Quantenobjekt, wenn man es misst, seine Natur ändert. Manchmal ist es ein Korpuskel, manchmal eine Welle, und außerdem hängt es vom Messgerät oder vom Beobachter ab.

Was uns das Doppelspaltexperiment von Young auch sagt, ist, dass sich das Quantenobjekt, wenn es frei von jeder Umgebung ist, als Welle präsentiert. Doch wenn die Umgebung (Schirm, Wand, Beobachter oder sogar Luftmoleküle) es zur Wechselwirkung zwingt, reduziert sich das Objekt oder vielmehr seine Energie plötzlich auf einen Punkt und nimmt die Erscheinung eines Korpuskels an.

Man bemerkt auf dem Schirm, dass sich die Wellenfront nicht irgendwo reduziert, sondern dort, wo die Welle intensiv ist, das heißt an den Wellenbergen oder Wellentälern. Mit anderen Worten, die Reduktionswahrscheinlichkeit ist oben und unten an der Welle größer als an den Hängen. Sie ist sogar null dort, wo die Wellen in Gegenphase sind.

Schickt man die Teilchen einzeln, so ist das Erstaunlichste, dass man über eine große Anzahl von Messungen am Ende trotz der Reduktion des Wellenpakets Interferenzstreifen erhält.

Die Wahrscheinlichkeitswelle von Max Born

Eine Erklärung wurde 1927 von Max Born (1882 - 1970) vorgeschlagen. Das Teilchen ist eine Wahrscheinlichkeitswelle. Diese schreckliche Definition zeigt die Schwierigkeit, auf die man stößt, wenn man von Quantenobjekten sprechen will.

Einfacher ausgedrückt: Es ist die Amplitude einer Welle an einer gegebenen Position, die die Wahrscheinlichkeit vorhersagt, dass sich das Teilchen an dieser Position befindet. Eine hohe Amplitude bedeutet nicht, dass sich das Teilchen dort befindet, aber dort haben wir die größte Chance, es zu finden (nach der Reduktion des Wellenpakets).

Was man sich merken sollte

Die probabilistische Natur der Quantenwelt

In der Quantenmechanik kann man nicht wissen, ob sich das Teilchen an einem präzisen Punkt im Raum befindet, sondern nur, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass es sich dort befindet. Es wird nur dann eine Position haben, wenn es mit der Umgebung wechselwirken muss; vorher hat es keine Position, es ist überall und seine Natur ist wellenartig. Genau wie ein Photon, das von einem Stern ausgesandt wird. Während es Millionen von Jahren frei als Welle gereist ist, wird es sterben, wenn es Ihre Netzhaut erreicht, mit der es wechselwirken wird.

Die Gleichungen der Quantenmechanik erweisen sich als erstaunlich präzise, sobald man akzeptiert, dass es sich um Wahrscheinlichkeit handelt. Die gesamte Materie, aus der das Universum besteht (Sterne, Planeten, Bäume, Sie usw.), besteht aus Atomen und subatomaren Teilchen, die von Wahrscheinlichkeit und nicht von Gewissheit regiert werden.