Wave-Partikel-Dualität und wie es funktioniert

Das Welle-Teilchen-Dualitätsprinzip der Quantenphysik besagt, dass Materie und Licht je nach den Umständen des Experiments das Verhalten von Wellen und Teilchen zeigen. Es ist ein komplexes Thema, aber eines der faszinierendsten in der Physik. 

Wellen-Teilchen-Dualität im Licht

In den 1600er Jahren schlugen Christiaan Huygens und Isaac Newton konkurrierende Theorien für das Verhalten des Lichts vor. Huygens schlug eine Wellentheorie des Lichts vor, während Newtons eine "korpuskulare" (Teilchen-) Theorie des Lichts war. Huygens 'Theorie hatte einige Probleme mit übereinstimmenden Beobachtungen, und Newtons Prestige trug dazu bei, seine Theorie zu stützen, sodass Newtons Theorie über ein Jahrhundert lang dominierte.

Im frühen neunzehnten Jahrhundert traten Komplikationen für die korpuskulare Lichttheorie auf. Zum einen war eine Beugung beobachtet worden, die nur unzureichend erklärt werden konnte. Thomas Youngs Doppelspaltexperiment führte zu einem offensichtlichen Wellenverhalten und schien die Wellentheorie des Lichts gegenüber Newtons Partikeltheorie fest zu unterstützen.

Eine Welle muss sich im Allgemeinen durch irgendein Medium ausbreiten. Das von Huygens vorgeschlagene Medium war gewesen leuchtender Äther (oder in gängiger moderner Terminologie, Äther). Als James Clerk Maxwell einen Satz von Gleichungen quantifizierte (genannt Maxwells Gesetze oder Maxwellsche Gleichungen) um elektromagnetische Strahlung (einschließlich sichtbares Licht) als Ausbreitung von Wellen zu erklären, nahm er einen solchen Äther als Ausbreitungsmedium an, und seine Vorhersagen stimmten mit experimentellen Ergebnissen überein.

Das Problem mit der Wellentheorie war, dass nie ein solcher Äther gefunden worden war. Nicht nur das, sondern auch astronomische Beobachtungen in Sternfehlern von James Bradley im Jahr 1720 hatten gezeigt, dass Äther relativ zu einer sich bewegenden Erde stationär sein musste. Während des gesamten 19. Jahrhunderts wurde versucht, den Äther oder seine Bewegung direkt zu erfassen, was in dem berühmten Michelson-Morley-Experiment gipfelte. Sie alle konnten den Äther nicht wirklich entdecken, was zu Beginn des 20. Jahrhunderts zu einer großen Debatte führte. War Licht eine Welle oder ein Teilchen?

1905 veröffentlichte Albert Einstein seinen Aufsatz, um den photoelektrischen Effekt zu erklären, der vorschlug, dass sich Licht als diskrete Energiebündel ausbreitet. Die in einem Photon enthaltene Energie wurde mit der Frequenz des Lichts in Beziehung gesetzt. Diese Theorie wurde als Photonentheorie des Lichts bekannt (obwohl das Wort Photon erst Jahre später geprägt wurde)..

Bei Photonen war der Äther als Fortpflanzungsmedium nicht mehr essentiell, obwohl er immer noch das merkwürdige Paradoxon hinterließ, warum Wellenverhalten beobachtet wurde. Noch merkwürdiger waren die Quantenvariationen des Doppelspaltexperiments und der Compton-Effekt, die die Partikelinterpretation zu bestätigen schienen.

Als Experimente durchgeführt und Beweise gesammelt wurden, wurden die Auswirkungen schnell klar und alarmierend:

Licht fungiert sowohl als Teilchen als auch als Welle, je nachdem, wie das Experiment durchgeführt wird und wann Beobachtungen gemacht werden.

Wellen-Teilchen-Dualität in der Materie

Die Frage, ob sich eine solche Dualität auch in der Materie zeigt, wurde durch die kühne De-Broglie-Hypothese angegangen, die Einsteins Arbeit dahingehend erweiterte, die beobachtete Wellenlänge der Materie mit ihrem Impuls in Beziehung zu setzen. Experimente bestätigten die Hypothese von 1927 und führten 1929 zu einem Nobelpreis für de Broglie.

Genau wie Licht schien es, dass Materie unter den richtigen Umständen sowohl Wellen- als auch Partikeleigenschaften aufwies. Offensichtlich weisen massive Objekte sehr kleine Wellenlängen auf, die so klein sind, dass es ziemlich sinnlos ist, sie wellenförmig zu betrachten. Aber für kleine Objekte kann die Wellenlänge beobachtbar und signifikant sein, wie durch das Doppelspaltexperiment mit Elektronen bestätigt wird.

Bedeutung der Welle-Teilchen-Dualität

Die Hauptbedeutung der Welle-Teilchen-Dualität besteht darin, dass das gesamte Verhalten von Licht und Materie durch die Verwendung einer Differentialgleichung erklärt werden kann, die eine Wellenfunktion darstellt, im Allgemeinen in Form der Schrödinger-Gleichung. Diese Fähigkeit, die Realität in Form von Wellen zu beschreiben, ist das Herzstück der Quantenmechanik.

Die häufigste Interpretation ist, dass die Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeit darstellt, ein bestimmtes Teilchen an einem bestimmten Punkt zu finden. Diese Wahrscheinlichkeitsgleichungen können beugen, stören und andere wellenartige Eigenschaften aufweisen, was zu einer endgültigen probabilistischen Wellenfunktion führt, die diese Eigenschaften ebenfalls aufweist. Die Partikel werden gemäß den Wahrscheinlichkeitsgesetzen verteilt und weisen daher die Welleneigenschaften auf. Mit anderen Worten, die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Partikel an einem beliebigen Ort befindet, ist eine Welle, die tatsächliche physikalische Erscheinung dieses Partikels jedoch nicht.

Obwohl die Mathematik komplizierte Vorhersagen macht, ist die physikalische Bedeutung dieser Gleichungen viel schwerer zu verstehen. Der Versuch zu erklären, was die Welle-Teilchen-Dualität "tatsächlich bedeutet", ist ein zentraler Diskussionspunkt in der Quantenphysik. Es gibt viele Interpretationen, die versuchen, dies zu erklären, aber alle sind an denselben Satz von Wellengleichungen gebunden… und letztendlich müssen sie dieselben experimentellen Beobachtungen erklären.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D..