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.

 

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