Zunächst wurde Licht nur als Wellenerscheinung verstanden. Es handelt sich um elektromagnetische Wellen, die durch die Maxwellschen Gleichungen der Elektrodynamik beschrieben werden. Eine beschleunigte elektrische Ladung strahlt Energie in Form einer elektromagnetischen Welle ab. Das heißt, elektromagnetische Wellen können als Strahlung eines oszillierenden Hertzschen Dipols verstanden werden. Der Begriff Beschleunigung kann sich dabei auch auf eine reine Richtungsänderung beziehen, und die Beschleunigung wird üblicherweise ihrerseits durch eine elektromagnetische Welle hervorgerufen.
Zunächst wurde Licht nur als Wellenerscheinung verstanden. Es handelt sich um elektromagnetische Wellen, die durch die Maxwellschen Gleichungen der Elektrodynamik beschrieben werden. Eine beschleunigte elektrische Ladung strahlt Energie in Form einer elektromagnetischen Welle ab. Das heißt, elektromagnetische Wellen können als Strahlung eines oszillierenden Hertzschen Dipols verstanden werden. Der Begriff Beschleunigung kann sich dabei auch auf eine reine Richtungsänderung beziehen, und die Beschleunigung wird üblicherweise ihrerseits durch eine elektromagnetische Welle hervorgerufen.
ZusammenfassungDie Wellennatur der elektromagnetischen Strahlung ist durch Interferenz- und Beugungsexperimente gut bekannt. Auch außerhalb des optischen Bereiches wurde z.B. die Beugung von Röntgenstrahlen durch Max von Laue mit Hilfe von Kristallen nachgewiesen. Andererseits lassen sich einige Beobachtungen nur mit einer Teilchennatur der elektromagnetischen Strahlung erklären. Dazu gehören neben der Frequenzabhängigkeit der Temperaturstrahlung nach dem Planckschen Strahlungsgesetz vor allem der lichtelektrische Effekt. Dabei zeigt sich, daß die Energie der aus einem Metall austretenden Elektronen nur von der Frequenz und nicht von der Intensität des Lichtstrahles abhängt. Auch die beim Compton-Effekt beobachtete inelastische Streuung von Röntgenstrahlen durch gebundene Elektronen eines Festkörpers kann nicht mit der Wellennatur der elektromagnetischen Strahlung erklärt werden, weil dabei ein Licht quant Energie und Impuls auf das Elektron überträgt. Man spricht deshalb von einem Welle-Teilchen-Dualismus der elektromagnetischen Strahlung.
In unserer täglichen Erfahrung haben die Begriffe Teilchen und Welle nichts Mysteriöses an sich, sie scheinen eine feste Bedeutung zu haben. Ein Stein, der ins Wasser geworfen wird, und die Wellen, die sich daraufhin an der Wasseroberfläche bilden, haben nur eines gemeinsam, die Fähigkeit, Energie und Impuls von einem Ort zum anderen zu übertragen. Die klassische Physik, die die „physikalische Realität“ unserer Sinneseindrücke widerspiegelt, behandelt Teilchen und Wellen als getrennte Komponenten der Realität. Die Mechanik der Teilchen und die Wellenoptik sind traditionellerweise unabhängige Disziplinen, jede hat ihre eigenen Experimente und Hypothesen. Und doch hat die physikalische Welt, wie wir sie sehen, ihre Ursache in Phänomenen, die sich in der mikroskopischen Welt der Atome und Moleküle, der Elektronen und Kerne abspielen. In dieser Welt gibt es weder Teilchen noch Wellen, die unseren herkömmlichen Vorstellungen entsprechen. Wir bezeichnen Elektronen als Teilchen, da sie elektrische Ladung und Masse besitzen und sich in alltäglichen Apparaten (etwa in einer Fernsehröhre) nach den Gesetzen der Punktmechanik verhalten. Wir werden jedoch sehen, daß genau soviel dafür spricht, ein Elektron als Wellenerscheinung wie als Manifestation eines Teilchens zu deuten. Wir bezeichnen elektromagnetische Wellen als Wellen, weil sie unter geeigneten Umständen Beugung, Interferenz und Polarisation zeigen. In ähnlicher Weise werden wir sehen, daß unter anderen Bedingungen elektromagnetische Wellen sich verhalten, als ob sie aus einem Strom von Teilchen bestünden. Gemeinsam mit der speziellen Relativitätstheorie ist die Dualität von Welle und Teilchen wesentlich für das Verständnis der modernen Physik; in diesem Buch gibt es nur wenige Argumente, die von diesen fundamentalen Prinzipien nicht Gebrauch machen.
Es gibt Aussagen allgemeiner Art, die für alle Arten von Wellen und Schwingungen gültig sind und strengen mathematischen Regeln folgen. Diese Regeln wollen wir uns zunächst anschauen und sie anschließend auf mechanische Schwingungen bzw. Wellen in Flüssigkeiten anwenden. Danach werden wir die elektromagnetischen Wellen besprechen, die uns erstmalig zu einer anderen als der Teilchennatur der Materie, nämlich der Wellennatur, führen werden. Wir haben es dabei auch mit den Erscheinungen des Lichts zu tun, sodass sich an dieser Stelle ein Ausflug in die klassische Strahlenoptik anbietet. Die Strahlenoptik wird anschließend im Zuge der Wellenoptik differenziert und wir nähern uns erstmalig dem Grenzbereich der Elementarteilchenphysik.
Eine elektromagnetische Welle beschleunigt die Ladungen elektrischer Teilchen in Gasen, Flüssigkeiten und festen Körpern, sie erzeugt Polarisationen und Ströme. Die beschleunigten Ladungen verursachen ihrerseits wieder ein Strahlungsfeld, das sich dem eingestrahlten Feld überlagert. Zum Verständnis der makroskopischen optischen Eigenschaften kommt man deshalb nicht ohne eine mikroskopische Beschreibung der Polarisationseigenschaften der Materie aus, die nur mit der Quantentheorie möglich ist. Dennoch hat die klassische theoretische Physik viele optische Phänomene durch phänomenologische Ansätze erklären können. Die quantentheoretische Beschreibung der Materie hat zur Tab. 6.1 Behandlung von Licht und Materie in der theoretischen Physik K = Klassische Physik; Q = Quantentheorie Entwicklung der „Quantenelektronik“ (s. Tab.6.1) geführt, in der die elektromagnetischen Strahlungsfelder zunächst noch klassisch, das heißt mit wohldefinierter Phase und Amplitude, berücksichtigt werden. Diese Behandlung der Strahlungswechselwirkung wird auch „semiklassisch“ genannt.
Bekanntlich gelangt man von der elektromagnetischen Maxwellschen Wellentheorie des Lichtes zur Existenz der Lichtkorpuskeln durch eine Quantelung des elektromagnetischen Feldes, indem man die elektrische und magnetische Feldstärke E und H als Matrizen auffaßt. Ausgehend von dieser Erkenntnis erhebt sich die Frage, ob sich nicht eine Theorie entwickeln läßt, die das Mehrteilchenproblem mit dreidimensionalen Wellenvorgängen in der Weise in Verbindung bringt, daß aus den dreidimensionalen Wellen die Korpuskeln in ähnlicher Weise durch eine Quantelung entstehen wie die Lichtteilchen durch eine Quantelung des elektromagnetischen Feldes. Dies ist tatsächlich möglich, und den Bemühungen von Jordan, Pauli, Klein, Wigner, Dirac und Heisenberg gelang es, auf dieser Grundlage eine konsequente Mehrteilchentheorie zu entwickeln1). Der Gedanke ist der, daß man die der zeitabhängigen Schrödinger-Gleichung genügende Wellenfunktion Ψ ganz analog den Feldstärken der elektromagnetischen Wellentheorie als Matrix einführt. Man türmt also zwei Quantelungen aufeinander: erstens indem man beim Einkörperproblem von der klassischen Hamilton-Jacobischen Gleichung zur Schrödinger-Gleichung übergeht und zweitens indem man dann die Schrödinger-Gleichung ihrerseits als klassische Gleichung auffaßt, aus der man erst durch eine weitere Quante-lung, d. h. Einführung von Matrizen, zur endgültigen Mehrteilchentheorie gelangt. Dem entspricht die Bezeichnung Wellenquantelung, zweite Quantelung oder Supraquantelung.