Welle-Teilchen-Dualismus
Quantenphysik
Basiswissen
In vielen Physik-Lehrbüchern wird beschrieben, dass Quantenobjekte sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften haben. Eine andere Sprechweise ist, dass sich zum Beispiel Licht manchmal wie eine Welle und manchmal wie ein Teilchen verhalten. Was das bedeutet wird hier kurz erklärt.
Was sind Teilchen?
Elektronen oder Protonen haben eindeutig Teilchencharakter. Teilchen sind in der Physik durch besondere Eigenschaften charaktisiert:
- Sie haben eine Masse, zum Beispiel gemessen in Gramm oder Kilogramm.
- Sie folgen Newtons erstem Axiom: ohne äußere Kräfte fliegen sie geradeaus
- Zu Newtons erstem Axiom gehört noch: ohne äußere Kräfte bleibt v konstant.
- Sie sind räumlich sehr eng begrenzt, ihre Ränder zerfließen nicht.
- Teilchen können sich gegenseitig nicht durchdringen.
- Stoßen Teilchen aneinander, können sie sich verbinden ...
- oder aber sie prallen nach den Stoßgesetzen voneinander ab.
- Bewegte Teilchen haben einen Impuls, den sie auch übertragen können.
- Mehr dazu unter => Teilchen
Wie verhalten sich Wellen?
Wellen sind etwas ganz anderes als Teilchen. Man kann sich zum Beispiel eine Wasserwelle in einem Wellenbad vorstellen. Typische Eigenschaften von Wellen sind:
- Wellen sind räumlich nicht eng lokalisiert, sie sind räumlich ausgedehnt.
- Wellen können sich räumlich durchrdringen, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen.
- Wellen können bei einer Durchdringung Interferenzeigenschaften zeigen.
- Bei Wellen bewegt sich in Ausbreitungsrichtung netto keine Masse.
- Bei Wellen schwingen lediglich Oszillatoren um ihre Ruhelage.
- Klassische Wellen transportieren keinen Impuls.
- Wellen breiten sich nicht geradlinig aus.
- Mehr dazu unter => Welle
Was ist wellenartig an Teilchen?
Die Erscheinung einzelner Quantenobjekte (Photonen, Elektronen) ist immer teilchenartig: Photonen oder Elektronen werden als eng umgrenzte Flecken auf Schirmen beobachtet, niemals als ausgedehntes Wellenbild. Die Teilchen selbst sind NICHT wellenartig. Der Wellencharakter bezieht sich korrekt gesehen nur auf die Formeln, die zur Berechnung von Beobachtungswahrscheinlichkeiten dienen. Wenn man von einer Teilchenfrequenz oder der Wellenlänge eines Teilchens spricht, dann meint das nur: in den Formeln zur Berechnung der Erscheinungsorte dieser Teilchen zu bestimmten Zeiten werden Frequenzen und Wellenlängen eingesetzt. Mehr dazu unter => Teilchenwelle
Nach welche Kriterien wählt man das Modell?
- Nach der de-Broglie-Wellenlänge:
- Wellenlänge = Planck-Konstante durch Impuls
- Man kann damit rechnerisch jeder Masse eine Wellenlänge zuordnen.
- Ist diese Wellenlänge sehr klein im Verhältnis zur Teilchengröße, ...
- dann passt das Teilchenmodell sehr gut (z. B. für Golfbälle).
- Ist die Wellenlänge eher groß im Verhältnis zur Ausdehnung des Objektes, ...
- dann passt besser die Wellenvorstellung.
- Mehr dazu unter => de-Broglie-Wellenlänge
Eine Kritik des Begriffes Welle-Teilchen-Dualismus
Photonen, Atome und auch größere Gebilde wie Moleküle zeigen eindeutig Wellen- wie auch Teilcheneigenschaften. Obwohl beide Denkbilder theoretisch unvereinbar sind, treten sie in der Wirklichkeit doch gemeinsam auf. Nach den gängigen Definitionen eines Dualismus [1] müssen sich zwei Dinge aber gegenseitig ausschließen oder zumindest bekämpfen, auf keinen Fall aber ergänzen zu einem stimmigen, harmonischen Gesamtbild. Spricht man also von eine Welle-Teilchen-Dualismus meint man damit eigentlich, dass sich die zwei Beschreibungen gegenseitig ausschließen sollen. Das tun sie aber nicht, so kann der Widerspruch beispielsweise durch die Bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation auch theoretisch aufgehoben werden. Der Pionier der Quantenphysik, Niels Bohr, wies immer wieder auf die gegenseitige Bedingtheit beider Beschreibungsweisen hin und sprach entsprechend nicht von einem Dualismus sondern von einer => Komplementarität
Tipps
- Wenn man Teilchen misst, zeigen sie immer Teilchencharakter.
- Wenn man ihre Zustandsänderungen berechnet, passt eher der Wellencharakter.
- Der Wellencharakter beschreibt die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Teilchen.
- Siehe auch => Bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation
Fußnoten
- [1] Dualismus. In: Metzeler Philosophie Lexikon. Herausgegeben von Peter Prechtl und Franz-Peter Burkard. 2. überarbeitete Auflage. Stuttgart, Weimar, 1999. ISBN: 3-476-01679-X. Seite 120.
- [2] Die Religion in Geschichte und Gegenwart. Handwörterbuch für Theologie und Religionswissenschaft. Herausgegeben von Hermann Gunkel und Leopold Tscharnak. Verlag von J. C. B. Mohr. Tübingen. 1931. Band I. Seite 2033.
