Big Bang 7, Schulbuch

n5g7u7 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Quantenphysik 53 Welle und Teilchen 33 Abb. 33.1: Mit einem Snowboard geht das leider nicht. Quanten können aber gleichzeitig mehrere verschiedene Wege nehmen. Mehr dazu in Kap. 33.5, S. 61. Stell dir einmal vor, du könntest durch die Wand gehen oder mit dem Snowboard gleichzeitig links und rechts an einem Baum vorbeifahren (Abb. 33.1). Klingt sehr nach Sciencefiction?! In un- serer alltäglichen Welt der großen Objekte ist das natürlich un- möglich. In der Welt des Allerkleinsten passieren solche Absur- ditäten aber pausenlos. Kleinste Objekte wie Atome oder deren Bestandteile nennt man Quanten , und die Physik, die sich mit ihnen beschäftigt, Quantenmechanik . Die Effekte in der Welt der kleinsten Teilchen sind meist sehr absurd, und nicht einmal die allerschlauesten Physiker können sie sich bildlich vorstellen. Lassen wir dazu drei Physik-Nobelpreisträger zu Worte kommen. 33.1 Ein Spalt in der Wand Interferenz und Beugung Wir gehen es gemütlich an und frischen noch einmal die Begriffe Interferenz und Beugung auf. Sie sind sehr wichtig für unsere weiteren Überlegungen. ? Fragenbox Die Überlagerung von Schwingungen beziehungsweise Wellen bezeichnet man als Interferenz ( F1 ). Wir betrachten im Folgenden nur die Überlagerung von Wellen. Nimm an, zwei Wellen mit gleicher Länge und Höhe treffen aufeinander. Wenn Berg auf Berg trifft, dann verstärkt sich die Amplitude der Gesamtwelle. Das nennt man konstruk- tive Interferenz . Wenn Berg auf Tal trifft, dann löschen ein- ander die Wellen komplett aus. Das nennt man destruktive Interferenz (Abb. 33.3, S. 54). Zwischen diesen beiden Ex- tremfällen sind alle Amplituden möglich. Unter Beugung versteht man, dass ein Teil einer Welle an einem Hindernis die Richtung ändert ( F2 ). Diesen Effekt kann man mit dem Huygens-Prinzip erklären, das nach dem Holländer C HRISTIAN H UYGENS benannt ist. Es besagt, dass jeder Punkt der Wellenfront eine neue Elementarwelle aussendet. Was wir sehen, ist die Überlagerung all dieser Wellen. Ein sehr anschaulicher Beleg für dieses Prinzip ist eine Welle, die durch einen engen Spalt läuft (siehe Was versteht man unter Interferenz? Lies nach in Kap. 18.6, „Big Bang 6“! Was versteht man unter Beugung? Was besagt das Prinzip von Huygens? Lies nach in Kap. 20.1 „Big Bang 6“! Eine Wasserwelle läuft gegen eine Wand mit einem Spalt (Abb. 33.2). Wie läuft sie dahinter weiter? Und kannst du deine Antwort begründen? Warum kannst du eine Person hören, die nicht in deine Richtung spricht? Warum kannst du dich selber sprechen oder eine Schallquelle auch mit dem abgewandten Ohr hören? F1 W1 F2 W1 F3 S1 Abb. 33.2: Wie läuft die Welle hinter der Wand weiter? F4 E2 A LBERT E INSTEIN lehnte die Quantentheorie Zeit seines Lebens ab. Er mochte die Idee nicht, dass sich die Quantenmechanik nur mit Hilfe von Wahrscheinlichkeiten berechnen lässt, und fasste sein Unbehagen mit den berühmten Worten „Gott würfelt nicht!“ zu- sammen. Er irrte sich allerdings gewaltig: Das Verhalten von Quanten unterliegt immer dem Zufall. Auch M AX B ORN hatte zunächst Probleme mit dem Akzeptieren der Quantenmechanik und schrieb einmal ironisch in einem Brief an A LBERT E INSTEIN : „Die Quanten sind doch eine hoffnungslose Schweinerei.“ Und R ICHARD F EYNMAN soll gar einmal gesagt haben: „Ich gehe davon aus, dass niemand die Quantenmechanik ver- steht.“ Mit „nicht verstehen“ meinte er, dass wir uns die Effekte der Quantenmechanik nicht bildlich vorstellen können und sie sich somit unserer Intuition entziehen, obwohl wir sie exakt berechnen können. Was ist der Grund dafür? Mechanische oder thermische Effekte kannst du spüren, optische sehen, akusti- sche hören. Wir haben aber keinen „Quanten-Sinn“ entwickelt. Die Dinger sind einfach viel zu klein, als dass sie für unser Leben direkt von Bedeutung wären. Und deshalb fehlt uns auch die konkrete Vorstellung davon. In diesem einleitenden Kapitel geht es um die Tatsache, dass Quanten sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften auf- weisen. Das klingt zunächst nicht besonders spektakulär. Aber diese Tatsache führt uns letztlich zu allen Überraschungen, die die Quantenmechanik so zu bieten hat. Wir fangen mit dem kurzen Aufpolieren einiger Wellenphänomene an. Nur zu Prüfzwecken – Eige tum des Verlags öbv