Wellenpartikel-Dualität und wie es funktioniert

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

In den 1600er Jahren, Christiaan Huygens und Isaac Newton schlug konkurrierende Theorien für das Verhalten des Lichts vor. Huygens schlug eine Wellentheorie des Lichts vor, während Newtons eine "korpuskuläre" (Teilchen-) Theorie des Lichts war. Huygens 'Theorie hatte einige Probleme mit der passenden Beobachtung und Newtons Prestige trug dazu bei, seine Theorie zu unterstützen, so dass Newtons Theorie über ein Jahrhundert lang dominierte.

Im frühen neunzehnten Jahrhundert traten Komplikationen für die korpuskuläre Lichttheorie auf. Beugung war zum einen beobachtet worden, was es schwierig machte, angemessen zu erklären. Thomas Youngs Doppelspaltexperiment führte zu einem offensichtlichen Wellenverhalten und schien die Wellentheorie des Lichts gegenüber der Newtonschen Partikeltheorie fest zu unterstützen.

Eine Welle muss sich im Allgemeinen durch ein Medium ausbreiten. Das von Huygens vorgeschlagene Medium war gewesen leuchtender Äther (oder in allgemeinerer moderner Terminologie, Äther). Wann James Clerk Maxwell quantifizierte eine Reihe von Gleichungen (genannt Maxwells Gesetze oder Maxwells Gleichungen) erklären elektromagnetische Strahlung (einschließlich sichtbares Licht) als Ausbreitung von Wellen nahm er genau einen Äther als Ausbreitungsmedium an, und seine Vorhersagen stimmten mit experimentellen Ergebnissen überein.

Das Problem mit der Wellentheorie war, dass kein solcher Äther jemals gefunden worden war. Nicht nur das, sondern auch astronomische Beobachtungen der Sternaberration durch James Bradley im Jahr 1720 hatten gezeigt, dass Äther relativ zu einer sich bewegenden Erde stationär sein musste. Während des 19. Jahrhunderts wurde versucht, den Äther oder seine Bewegung direkt zu entdecken, was im berühmten gipfelte Michelson-Morley-Experiment. 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?

Im Jahr 1905, Albert Einstein veröffentlichte sein Papier, um das zu erklären photoelektrischer Effekt, die vorschlugen, 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 bekannt als die Photonentheorie von Licht (obwohl das Wort Photon erst Jahre später geprägt wurde).

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

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.

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

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

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

Die gebräuchlichste Interpretation ist, dass die Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeit darstellt, ein bestimmtes Teilchen an einem bestimmten Punkt zu finden. Diese Wahrscheinlichkeitsgleichungen können andere wellenartige Eigenschaften beugen, stören und aufweisen, was zu einer endgültigen probabilistischen Wellenfunktion führt, die auch diese Eigenschaften aufweist. Die Partikel werden gemäß den Wahrscheinlichkeitsgesetzen verteilt und weisen daher die Welleneigenschaften. 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 kompliziert ist, macht sie genaue Vorhersagen, aber die physikalische Bedeutung dieser Gleichungen ist viel schwieriger zu verstehen. Der Versuch zu erklären, was die Welle-Teilchen-Dualität "tatsächlich bedeutet", ist ein zentraler Diskussionspunkt in der Quantenphysik. Es gibt viele Interpretationen, um dies zu erklären, aber sie sind alle an denselben Satz von Wellengleichungen gebunden... und muss letztendlich die gleichen experimentellen Beobachtungen erklären.

Bearbeitet von Anne Marie Helmenstine, Ph. D.