Einige Experimente besagen, daß das Elektron sehr ausgedehnt ist. Andere Experimente zeigen, daß das Elektron extrem klein ist. Ähnliches trifft für Lichtquanten, Protonen, Neutronen oder auch Mesonen zu. Alle mikroskopischen Objekte scheinen eine Doppelnatur aufzuweisen, wobei sich ihre Ausdehnung in Form von Wellen und ihre Lokalisierung in Form von Teilchen bemerkbar machen.
Einige Experimente besagen, daß das Elektron sehr ausgedehnt ist. Andere Experimente zeigen, daß das Elektron extrem klein ist. Ähnliches trifft für Lichtquanten, Protonen, Neutronen oder auch Mesonen zu. Alle mikroskopischen Objekte scheinen eine Doppelnatur aufzuweisen, wobei sich ihre Ausdehnung in Form von Wellen und ihre Lokalisierung in Form von Teilchen bemerkbar machen.
Einige Experimente besagen, daß das Elektron sehr ausgedehnt ist. Andere Experimente zeigen, daß das Elektron extrem klein ist. Ahnliches trifft für Lichtquanten, Protonen, Neutronen oder auch Mesonen zu. Alle mikroskopischen Objekte scheinen eine Doppelnatur aufzuweisen, wobei sich ihre Ausdehnung in Form von Wellen und ihre Lokalisierung in Form von Teilchen bemerkbar macht. Was bedeutet dies? In bezug auf diesen Punkt wurde zwischen den Begründern der modernen Physik keine Übereinstimmung erzielt und man weigerte sich einfach, diese Frage zu stellen. Die Zeiten haben sich geändert — und zu Beginn diskutieren wir hier sechs verschiedene Deutungen des Dualismus Teilchen-Welle zusammen mit einigen neueren experimentellen Ergebnissen.
Das grundlegende Verständnis von Licht einerseits und massebehafteten Teilchen andererseits beruht auf dem Welle-Teilchen Dualismus. Dieser Dualismus besagt, daß auf der einen Seite das Licht, das dem Kenner der klassischen Physik nur in der Form einer elektromagnetischen Welle begegnet, je nach den äußeren Beobachtungsbedingungen auch wie ein örtlich konzentriertes Teilchen erscheinen kann, und umgekehrt, daß ein korpuskulares, massebehaftetes Teilchen auch Welleneigenschaften besitzt, die aber nur bei geeigneten Versuchsbedingungen in Erscheinung treten. Die historisch wichtigsten experimentellen Nachweise zu diesem Phänomen haben wir in Kapitel 1 dargelegt. Es zeigt sich, daß diese Eigenschaften keine sich widersprechende Erscheinungsformen von Licht bzw. Teilchen sind, sondern daß man sie als zwei sich ergänzende Charakteristika verstehen muß in dem Sinne, daß bei Auftreten der Teilcheneigenschaften die Beschreibung als Welle keinen physikalischen Sinn ergibt und umgekehrt, daß im Fall des Nachweises der Welleneigenschaft das Korpuskelbild zu Widersprüchen führt.
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.
Aus den bisherigen Ausführungen folgte, daß das Licht und allgemein alle elektromagnetischen Wellen einen Energiestrom darstellen, bei dem unter gewissen Bedingungen Doppelcharakter (Dualismus) in Erscheinung tritt. So zeigen sich deutlich Welleneigenschaften bei der Ausbreitung in den Gebieten des Wellenfeldes, in denen die Wellen auf ein Hindernis (Spalt, Gitter u. a.) der Größenordnung der Wellenlänge treffen. Jedoch sind eindeutig Teilcheneigenschaften bei Wechselwirkung der Strahlung (Fotoeffekt, Absorption und Emission von Strahlung usw.) mit anderen Teilchen (Korpuskeln) vorhanden, deren Größenordnung im atomaren Bereich liegen (Atome, Moleküle, Elementarteilchen).
AuszugIm ersten Band haben wir die Grundlagen der makroskopischen Physik erarbeitet. Ausgangs-punkt bildeten einige wenige Postulate oder Erhaltungssätze, wie der Energie- und Impuls-erhaltungssatz oder die Erhaltung der elektrischen Ladung. Ein wichtiger Wesenszug war dabei der strenge Determinismus aller Naturvorgänge. Auf Grund der Newtonschen Postulate ist es z. B. möglich, Ort und Impuls eines Teilchens zu einem beliebig gewählten späteren Zeitpunkt vorherzusagen, wenn die auf es wirkenden Kräfte bekannt sind. Denken wir etwa an die präzisen Bahnberechnungen der Planeten des Sonnensystems oder an die einer komplizierten Flugroute einer Weltraumrakete. Das wird anders, wenn wir uns für den Mikrokosmos interessieren, also wenn wir uns eine Grundlage verschaffen wollen, die atomaren Prozesse von wenigen Prinzipien her quantitativ zu beschreiben. Die uns aus dem täglichen Leben selbstver-ständliche Voraussetzung, dass eine Messung das Teilchen nicht beeinflusst, gilt in der Welt der kleinsten Teilchen nicht mehr. Wir können im Allgemeinen keine präzise Vorhersage machen über die Bahn eines einzelnen herausgegriffenen Teilchens. Das Messergebnis beeinflusst dieses und seine Bahn. Auch der uns bekannte Sachverhalt, dass sich die Energie eines gebundenen Teilchens in beliebigen Portionen ändern lässt, müssen wir aufgeben. Unter einem gebundenen Teilchen wollen wir dabei ein Teilchen verstehen, etwa ein Elektron, das durch das Potential des zugehörigen Atomkerns durch dessen elektrisches Potential sich nicht von ihm lösen kann, sondern gezwungen wird, den Kern zu umrunden. Damit sind wir aber schon wieder an einen Punkt gelangt, wo die Natur uns ein „Stopp“ entgegenhält. Wir werden nämlich sehen, dass der Bahnbegriff überhaupt nicht mehr zulässig ist.
In den vorangegangenen Kapiteln bezogen sich unsere Überlegungen auf Systeme, die aus genau einem Teilchen bestehen. Wir haben gelernt, wie solche Ein-Teilchen-Systeme quantenmechanisch zu beschreiben sind. Wir müssen uns nun Gedanken darüber machen, was bei der Behandlung von Mehr-Teilchen-Systemen zusätzlich zu beachten ist. Es wird sich als notwendig herausstellen, strikt die sogenannten unterscheidbaren von den ununterscheidbaren, d. h. identischen Teilchen, zu trennen. Unterscheidbar heißt, daß es irgendeine physikalische Eigenschaft gibt (Masse, Ladung, Spin,...), durch die sich die Einzelteilchen gegeneinander abheben, so daß es im Prinzip möglich ist, durch eine entsprechende Messung die Teilchen zu identifizieren. Identische Teilchen stimmen dagegen in allen ihren Eigenschaften überein, sind deshalb durch keine Messung voneinander zu unterscheiden. So sind Elektronen und Protonen aufgrund unterschiedlicher Masse und unterschiedlicher Ladung unterscheidbar, die Elektronen unter sich sowie die Protonen unter sich sind dagegen identisch.