Wellen, Teilchen und die Quantenphysik

Nach meinem letzten Blogartikel wurde ich kritisiert, ich hätte Modell und Wirklichkeit verwechselt. Quantenobjekte seien zwar nicht Welle oder Teilchen, aber Wellen- oder Teilchenmodelle seien heute noch aktuelle Modelle für die durch Physik beschriebene Wirklichkeit.
Ich halte diese Auffassung für irreführend.Tatsächlich beschreiben wir in der Physik Licht und Elektronen nur noch mit einem Modell, der Quantenelektrodynamik. Das Wellenmodell ist keine Alternative hierzu, sondern eine Vereinfachung, eine Näherung zur einfacheren Berechnung und Vorstellung. Das Teilchenmodell, wie wir es in der Elementarteilchenphysik kennen, ist ebenfalls eine Näherung. Es hat aber mit klassischen Teilchentheorien nichts gemein. Letztere können als widerlegt gelten.

Was sind aber diese klassischen Modelle?

Klassische Wellen, Teilchen und Kontinua

Zu Newtons Zeiten war es noch völlig offen, ob Licht ein Wellen- oder Teilchenphänomen ist. Effekte, wie Lichtbrechung an Prismen oder Linsen, sind auch mit Teilchen erklärbar, die in verschiedenen Medien unterschiedliche Geschwindigkeiten annehmen. Newton selben bevorzugte lange Zeit das Teilchenmodell.

Spätestens seit Maxwell zeigen konnte, dass sich die bis dahin bekannten Gesetze von gegenseitiger Beieinflussung elektrischer Felder und Ströme und magnetischer Felder zu einer Schar von Gleichungen zusammenfügen lassen, aus der sich elektromagnetische Wellen von selbst ergeben, hatte sich das Wellenmodell endgültig gegen das Teilchenmodell durchgesetzt.

Für Materie hat es dagegen kein klassisches Wellenmodell gegeben. Die klassische Physik kannte Teilchenmodelle und Kontinuumsmodelle. Das Teilchenmodell, die Atomhypothese findet sich schon bei Demokrit und Leukipp, konnte sich aber in der klassischen Physik gegen das Kontinuumsmodell, nach dem der Raum lückenlos von Materie erfüllt ist, nicht durchsetzen. Erst als Dalton nachwies, dass chemische Reaktionen von Gasen immer in ganzzahligen Volumenverhältnissen geschehen, begann sich ein modernes Atommodell durchzusetzen.

Die Zweigeteiltheit der Physik – Wellenmodell für Licht und Atommodell für Materie – bekam Risse, als Anfang des 20. Jahrhunderts durch Röntgen und Einstein postuliert wurde, dass Licht nur in bestimmten Paketen absorbiert und erzeugt werden kann und dass diese Pakete Energie und Impuls tragen, wie auch Teilchen es tun.

Als zudem an Elektronenstrahlen Welleneigenschaften von Materie gezeigt werden konnten, war klar, dass eine Trennung von Wellenmodellen von Licht und Teilchenmodellen für Materie nicht aufrecht zu erhalten ist. Aus dieser Zeit kommt die Idee vom Wellen-Teilchen-Dualismus: Können wir die Natur etwa am besten verstehen, wenn wir zwei einander ausschließende Modelle nebeneinander stehen lassen und je nach Experiment das eine oder andere anwendet?

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zeigte es sich, dass es möglich ist, Modelle aufzustellen, die alle messbaren Eigenschaften von Feldern (wie Licht) und Materie richtig beschreiben. Die Quantenelektrodynamik beschreibt Elektronen, Positronen, Licht und die Wechselwirkungen zwischen ihnen auf viele Nachkommastellen genau. Es braucht keinen Dualismus nebeneinander stehender Modelle, um die messbare Physik zu beschreiben.

Dennoch sprechen wir in der Physik oft vom Wellenbild oder Teichenbild, in dem wir uns Dinge veranschaulichen. Diese Bilder sind aber keine eigenständigen Modelle. Sie sind Näherungen. Bilder, mit denen wir uns Berechnungen und Intuition vereinfachen.

Das Wellenbild

Ich habe schon dazu geschrieben, dass es in der Atomphysik fast immer möglich ist, in der Halbklassischen Näherung zu rechnen: Wir können das Licht als klassische Welle nach den Maxwell-Gleichungen berechnen und nur die Bewegungen der Elektronen um die Atomkerne quantenmechanisch berechnen. Diese Näherung funktioniert sehr gut, weil die elektromagnetischen Kräfte zwischen Elektronen und Atomkernen viel stärker sind, als der Einfluss des externen Lichts auf die Elektronen und weil es auf die Rückwirkung des Atoms auf die Welle oft nicht ankommt.

Diese Trennung in Atom als Quantenobjekt und Licht als klassische Welle ist ein schönes Beispiel für eine Grenzziehung, wie sie Karen Barad anspricht. Es spricht nichts dagegen, solche Trennungen vorzunehmen und ist für die Wissenschaft sogar unerlässlich, aber wir müssen uns immer klar machen, dass die Grenzziehung nicht von der Natur sondern von Physikerin oder Physiker vorgegeben wird.

Wir können die Grenze auch anders ziehen, so lässt sich ein System aus Atom inklusive Lichtwelle auch quantenmechanisch als ganzes berechnen. Wir erhalten dann sogenannte Dressed States (angezogene Zustände). Solch ein angezogenes Atom kann dann mit einem weiteren Laser, dem Probelaser, der wieder als Welle berechnen wird, abgefragt werden. Die Grenze liegt dann also nicht zwischen Atom als Quantensystem und Licht als Welle, sondern zwischen Atom mit Pumplaser als Quantensystem und Probelaser als Welle.

Das Teilchenbild

Das Teilchenbild, in dem Licht als Pakete von Energie, Impuls und Spin dargestellt wird, ist eine andere Näherung, die Rechnungen und die Vorstellung von möglichen Prozessen erleichtert. Das Bild geht über die Quantenelektrodynamik hinaus und lässt sich auf den ganzen Teilchenzoo anwenden, der durch andere Quantenfeldtheorien dazukommt. Die starke Wechselwirkung durch den Austausch von Gluonen zum Beispiel, oder die schwache Wechselwirkung durch den Austausch von W- und Z-Bosonen.

Dieses Bild ergibt sich aus dem Verfahren der Störungsrechnung. Wenn ein bestimmter Austauschvorgang von Energie, Impuls oder anderen Größen relativ selten ist, können die Wechselwirkungen als kleine Störungen eines insgesamt statischen Systems betrachtet werden. Störungstheoretische Berechnungen von Stoßprozessen gehen auf Max Born zurück, der mit ihnen die Wahrscheinlichkeitsdeutung der Quantenmechanik begründet hat.

Im Teilchenbild können Stoßprozesse durch Feynman-Diagramme veranschaulicht werden. In erster Näherung ist ein Stoß ein Austausch von genau einem Wechselwirkungsteichen, einem Photon zum Beispiel. In zweiter Näherung kommen Prozesse dazu, die zwei Teilchen austauschen und so fort. Auch hier weiß jede Physikerin und jeder Physiker dass sie es mit einer Näherung zu tun haben. Aber eben mit einer, die für schwache und seltene Prozesse sehr gut ist und die ein zuverlässiges Gefühl dafür vermittelt, welche Effekte möglich sind und welche nicht.

Auch hier gibt es pragmatische Grenzziehungen. So lässt sich die Wechselwirkung zwischen Kernteilchen, wie eigentlich eine Restwechselwirkung der starken Kräfte innerhalb der Kernteilchen ist, als Austausch von Pi-Mesonen beschreiben. Die eigentlich zusammengesetzten Pi-Mesonen verhalten sich unter gewissen Umständen wie kraftvermittelnde elementare Bosonen.

Fazit

Wellenbild und Teilchenbild sind vereinfachte Bilder, die wir uns von den existierenden Modellen machen, mit denen wir heute die Physik beschreiben. Sie sind aber keine eigenständigen Modelle auf deren Grundlage wir eine Philosophie der Realität aufbauen können die wir als Fundament für eine Weiterentwicklung der Physik hernehmen können. Die Annahme, mit nebeneinander stehenden Wellenmodell und Teilchenmodell ließe sich die Realität der Quantenmechanik erfassen, ist falsch.

Im Übrigen sind Wellenbild und Teilchenbild, wie ich sie oben skizziert habe, auch gar nicht einander ausschließende Näherungen von verschiedenen Seiten. Die Wechselwirkung eines Atoms mit einem Lichtfeld lässt sich in beiden Bildern verstehen und beide Bilder führen selbstverständlich zum selben Ergebnis. Wenn sie es nicht tun, war mindestens eine der Näherungen nicht gerechtfertigt.

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

8 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Framing: Wir zoomen auf einen Aspekt

    Die Physik hat inzwischen Calculi entwickelt wie die QED oder die Quantenchromodynamik, wo man Probleme einfach durchrechnen könnte ohne sie zu verstehen. Damit sind wir schon nahe an der Vision von Stephen Wolfram’s A New Kind Of Science, es gebe einen Algorithmus, mit dem man den nächsten Zustand des Universums berechnen könnte ohne dass man sonst etwas vom Universum verstehen müsste ( wenn das Universum beispielsweise ein zellulärer Automat wäre). Die Physik wollte aber schon immer Situationen verstehen und nicht einfach nur etwas durchrechnen. Auch das im Artikel erwähnte Dressed-Atom-Modell ist ein Versuch eine bestimmte Situation zu verstehen indem man eine idealisierte Situation annimmt, nämlich ein monochromatisches Lichtfeld, welches auf ein Atom einwirkt. Dieses Modell ist eigentlich viel weniger allgemein als die QED ( welche man auch für nicht monochromatische Lichtfelder verwenden könnte), aber es lässt uns etwas verstehen und liefert damit mehr als nur ein paar Resultat-Zahlen. Deshalb haben auch das Wellen- und Teilchenmodell immer noch Konjunktur obwohl es Idealisierungen sind. Die europäische Geistesgeschichte hat mit Idealisierungen begonnen – man denke nur an Platons Ideenlehre – und auch die moderne Wissenschaft wird weiterhin mit Idealisierungen arbeiten, denn die Alternative wäre das reine Engineering, das Durchrechnen mit einem Calculus, der auf einer sehr allgemeinen Theorie beruht.

  2. @Martin Holzherr

    Da haben Sie sicher recht. Deshalb betone ich, dass wir uns mit diesen Bildern nicht nur Berechnungen, sondern auch die Intuition erleichtern. Es ist einfach auf Basis dieser Bilder einfacher, neue Gedanken zu entwickeln. Wir dürfen bloß nicht vergessen, dass Wellen- und Teilchenbild nicht das vollständige Modell der Naturvorgänge sind, sondern Näherungen. Und wir müssen wissen, worin diese Näherungen bestehen.

  3. Ganz viele Modelle

    Faszinierend, wie Du die Wörter “Bild” und “Näherung” an Stellen einsetzt, Joachim an denen man das Wort “Modell” erwarten könnte. Martin Holzherr benutzt außerdem das Wort “Idealisierung”.

    Ich halte diese Wörter hier alle für austauschbar. Indem ich das tue, möchte ich darauf hinweisen, dass die Quantenelektrodynamik, die Du hier als einziges Modell (für Licht und Elektronen) gefeatured hast, ebenso ein Modell ist wie die anderen Modelle, die hier als “Bild”, “Näherung” oder “Idealisierung” bezeichnet wurden.

    Der Unterschied ist: Die QED ist das aktuell von der scientific community akzeptierte Modell. Es gilt als beste Näherung an die Realität. Daher ist es für Physiker nicht nur wichtig, sich bewusst zu machen, wie sich ein älteres Modell vom gegenwärtigen Modell unterscheidet. In der Forschungsperspektive noch wichtiger ist doch die Frage, wie sich das gegenwärtige Modell von der Realität unterscheidet.

    Nur mit Antworten auf diese Frage lässt sich doch eine Weiterentwicklung der Physik betreiben.

  4. @erbloggtes

    Aber es ist doch verständlich, wie ich das Wort “Modell” hier von “Bild” und “Näherung” abgrenze, oder?

    Der springende Punkt ist, dass Wellen- und Teilchenbild im heutigen Sprachgebrauch eben nicht alte Modelle bezeichnen, sondern Näherungen des aktuellen Modells. Sie unterscheiden sich signifikant von historischen Wellen- und Teilchenmodellen.

  5. @erbloggtes

    Oder anders ausgedrückt: Es gibt ein Wellenbild der Quantenmechanik und ein Teilchenbild der Quantenmechanik. Und unabhängig davon gibt es die alten Wellen- und Teilchenmodelle, die mit Quantenmechanik nichts zu tun hatten.

  6. QED+Realität: Was ist die Realität?

    @Erbloggtes: (Zitat) “die Frage, wie sich das gegenwärtige Modell von der Realität unterscheidet.” ist unbeantwortbar wenn (Zitat Wikipedia) „real“ vor allem etwas [ist], das in Wahrheit so ist, wie es erscheint”

    Die “wahre” Realität als Darstellung des Wirklichen ohne Verzerrungen kennt die Naturwissenschaft und damit auch die Physik (noch) nicht, weil es keine Theorie von allem gibt und vielleicht nie geben wird. Vielleicht deshalb nie, weil sogar die Realität des physikalischen Universums mehr als eine Darstellung zulassen könnte.

    Aber vielleicht meinen sie mit “wie sich das gegenwärtige Modell von der Realität unterscheidet” einfach Widersprüche zwischen Messungen und Voraussagen der QED. Bis vor kurzem kannte man keinen einzigen Widerspruch zwischen QED-Voraussagen und Messungen. Doch das NIST hat jetzt einen krassen Widerspruch (siehe auch hier) gefunden: Ein stark positiv geladenes Atom, bei dem eines der Restelektronen angeregt wird, emittiert beim Rückfallen in den Grundzustand nicht das erwartete Photon von der erwarteten Farbe.

    Solche Widersprüche zwischen erwarteten und gemessenen Vorgängen bringen die Physik jedoch oft nicht direkt voran, sie wirken jedoch als Sargnägel für die Theorie, die die Voraussage macht. Ein einziger Widerspruch zwischen Theorie und Messung kann genügen um die Theorie zu versenken.

    Ihre Aussage “Nur mit Antworten auf diese Frage lässt sich doch eine Weiterentwicklung der Physik betreiben.” ist wie gesagt meist nicht hilfreich, denn die “Realität” kennt man nicht und ein Widerspruch zwischen Messung und Theorie gibt nur selten Hinweise auf eine bessere Theorie.

    In letzter Zeit haben sich innerhalb der Physik vor allem hochstehende Spekulationen wie die Stringtheorie oder verschiedene Theorien der Quantengravitation entwickelt.
    Solche Spekulationen bauen oft auf gewissen Grundannahmen auf (z.B. Quanten sind Strings), die aus verschiedenen, oft auch mathematischen Gründen, eine gewisse Attraktivität und Erklärungsmacht entfalten. Die Chance besteht, dass sich solche Spekulationen bestätigen. Tun sie das nicht innerhalb angemessener Zeit, muss man sie wieder beerdigen.

  7. Oh,

    Oh, ich muss feststellen, dass gestern ein späteres Posting von mir nicht angekommen ist. Vielleicht gab es Übertragungsprobleme. Darin hatte ich u.a. ganz oft Realität benutzt und betont, dass ich das Wort nur als Modell für das Wahrgenommene verwende.

    Tut mir leid, falls das falsch rüber gekommen sein sollte.

    In diesem Sinne gibt ein “Widerspruch zwischen Messung und Theorie” stets “Hinweise auf eine bessere Theorie”, denn der Widerspruch gibt eine Bedingung an, die die gesuchte bessere Theorie erfüllen soll: den Widerspruch beseitigen.

  8. Ist die QED zu klassisch?

    Es stimmt, die QED ist die gegenwärtig akzeptierte Theorie. Gleichwohl waren die maßgeblichen Architekten dieser Theorie, wie z.B. Richard Feynman, mit ihr stets unzufrieden – ungeachtet ihres bemerkenswerten experimentellen Erfolges. Feynmann sprach von der Renormierung als einem Verwirrspiel und Hokus-Pokus. Paul Dirac hat diese Kritik geteilt.

    Noch zum Ende seines Lebens hin bezeichnete er die künstliche Beseitigung der Unendlichkeiten als ein Abweichen vom Pfad der Tugend – und es gibt auch heute noch Stimmen, die in der Renormierung einen Sündenfall der theoretischen Physik sehen.

    Ich möchte daher mutmaßen, dass die durch die QED begründete Lösung des Welle-Teilchen-Dualismus an einem spezifischen historischen Gabelungspunkt vom Dirac’schen “Pfad der Tugend” abgekommen ist. Dirac vertrat die Auffassung, die Theoretiker hätten zu
    klassisch gedacht. Es sei daher geboten, Neuland zu betreten und noch nicht Gedachtes zu denken.

    Hier ein Versuch.

    Wenn man die Entstehungsgeschichte der QED rekapituliert, dann kann man unschwer erkennen, dass ihr eigentlich klassischer Part die Spezielle Relativitätstheorie ist. Einstein’s
    Theorie scheint zwar von ihrer prinzipiellen Ausrichtung her, wie sie mit dem speziellen Relativitätsprinzip ausgesprochen ist, gegenüber dem Welle-Teilchen-Dualismus neutral zu sein, doch ein genauerer Blick offenbart, dass dies nicht für ihr zweites Prinzip – das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit – gilt, denn dieses Prinzip ist zutiefst dem klassischen
    Wellenbild verpflichtet ist. Es beschreibt die Lichtgeschwindigkeit so, als wäre Licht eine rein klassische Welle. In und mit diesem Prinzip ist die klassische Vereinfachung daher nicht nur
    auf die Spitze getrieben worden, dieses klassische Element wurde überdies – via Relativitätsprinzip – zur universellen
    Grundlage unseres Verständnisses der Lichtgeschwindigkeit. Es taucht daher unvermeidlich der Gedanke auf: Wenn Licht wirklich dualer Natur ist, wie der Welle-Teilchen-Dualismus nahelegt, dann sollte eigentlich auch die Lichtgeschwindigkeit dualer Natur sein. Sie sollte mithin in der Natur nicht nur in einer wellenartigen, sondern auch in einer teilchenartigen Form vorkommen.
    Von dieser Warte aus, die ich als das “Prinzip der Dualen Konstanz der Lichtgeschwindigkeit” bezeichne, beinhaltet die Spezielle Relativitätstheorie offenbar ein zu restriktives, weil zu klassisches Bild von der Art und Weise, wie Licht sich ausbreitet. Ich möchte daher die
    Vermutung aussprechen, dass die von der QED gelieferte und als theoretisch unbefriedigend erlebte Lösung des Welle-Teilchen-Dualismus hier ihren tieferen Ursprung hat.

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