Das seltsamste Teilchen der Welt

Michael Wurm

Richard Elwes

Kurt Baumann, Roman U. Sexl

ZusammenfassungIst die Beschreibung der Natur durch die Quantenmechanik vollständig? Mit den von Schrödinger und Einstein, Podolsky, Rosen aufgezeigten Paradoxien wurde diese Frage immer mehr zu einem Kernproblem in der Debatte über die Quantenmechanik. Gemäß der Kopenhagener Deutung sollte die Quantentheorie die Natur vollständig beschreiben: Wenn die Wellenfunktion den Ort eines Teilchens nicht festlegt, dann hat das Teilchen tatsächlich keinen bestimmten Ort. Dadurch werden beispielsweise begriffliche Schwierigkeiten bei der Deutung des Doppelspaltexperimentes vermieden.

Detlef Dürr

Matthias Weidemüller

Makroskopisch ist die Welt eindeutig: Etwas ist tot oder lebendig, draußen oder drinnen, links oder rechts. In der quantenmechanischen Welt aber ist alles anders. Atome, Moleküle und die Teilchen des Lichts können Überlagerungszustände einnehmen, die eine derart einfache Grenzziehung nicht mehr zulassen. Zwischenzeitlich haben die Physiker nachgewiesen, dass quantenmechanische Überlagerungszustände auch in der makroskopischen, von uns wahrnehmbaren Welt möglich sind. Derzeit untersuchen sie, inwieweit die Natur solche Überlagerungen nutzt, um biologische Prozesse wie die Photosynthese zu optimieren. Ihre Untersuchungen werfen ein neues Licht auf die Grenzziehung zwischen einem System und seiner Umgebung.

Arthur Beiser

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.