Sexl Physik 7, Schulbuch

2.2 Lichtteilchen und Lichtwellen Wie kann Licht gleichzeitig Teilchen und Welle sein? Nach den Vorstellungen der klassischen Physik sind diese beiden Eigenschaften miteinander unvereinbar: Licht müsste Welle oder Teilchen sein. Es hatte lange gedauert, bis Interferenzer- scheinungen den Beweis für die Wellennatur des Lichtes zu liefern schienen. Ist dieser Beweis wirklich schlüssig? Aus dem Schluss „Wenn Licht eine Welle ist, dann gibt es Interferenz“ folgt nicht die Umkehrung. Die beobachtete Interferenz könnte auch andere Ursachen haben. Aus Experimenten können wir niemals eindeutig auf die Ursachen schließen. Alle In- terpretationen von Experimenten erfolgen im Rahmen von Hypothesen. Daher müssen immer wieder lange Zeit bewährte Vorstellungen revidiert werden. Neben der Relativitätstheorie veränderte die Quantenphysik unsere Vorstellungen über die Natur am Radikalsten. Welche Beziehung haben Wellen- und Teilchentheorie des Lichtes zueinander? Stehen die beiden Theorien einfach nebeneinander? Oder sind sie in einer neuen, umfassenderen Theorie enthalten? Dazu wurden verschiedene Ansichten ent- wickelt, beispielsweise: a) Es gibt Widersprüche in der Natur. Die einander widersprechenden Wellen- und Teilcheneigenschaften sind Beispiele dafür. b) Teilchen und Welle sind verschiedene Modelle zur Beschreibung des Lichts. Je nach Experiment ist einmal das eine Modell und dann das andere zu bevorzu- gen. Zur Erklärung weiterer Experimente könnte es künftig notwendig werden, wiederum andere Modelle zu benützen. c) Es gibt eine umfassende Theorie, die das Verhalten von Licht korrekt beschreibt, d. h. es lassen sich aus ihr experimentell überprüfbare Vorhersagen über den Ausgang von Experimenten ableiten. Wir bilden jedoch unsere physikalischen Begriffe mit Hilfe der Erfahrungen des Alltags, in dem die Quantenphänomene nicht direkt wahrnehmbar sind. Daher ist unsere Sprache zur Beschreibung der Erscheinungen im Mikrokosmos nur schlecht geeignet, weil wir einander scheinbar widersprechende, in Wahrheit aber ergänzende Begriffe (wie Welle und Teilchen) für Teilaspekte einer Erscheinung verwenden. Innerhalb der um- fassenden Theorie müssen die Begriffe eine neue Bedeutung erhalten. Die Diagramme ( 93.2 ) sollen die Auffassungsunterschiede erläutern. Heute er- scheint nur mehr der Standpunkt c) physikalisch akzeptabel. Gegen den Standpunkt a) spricht: Es liegt näher, Widersprüche in unseren Vorstel- lungen über die Natur zu suchen als in der Natur selbst. Standpunkt b) würde ein beziehungsloses Nebeneinander von Modellen bedeuten, die nicht durch eine übergeordnete Theorie zu einer Einheit verbunden wären. Bei jedem Konflikt mit dem Experiment könnten weitere ad hoc-Modelle die Situation „retten“. Die unter c) angesprochene Theorie ist die Quantenelektrodynamik ( QED ). Die QED beschreibt neben der Erzeugung und Absorption von Licht durch geladene Teilchen auch die Umwandlung von Strahlung in Materie, indem Paare von Teil- chen und Antiteilchen erzeugt werden. Sie ist die am besten überprüfte physikali- sche Theorie (siehe Physik 8, Teilchenphysik ). Teilchenaspekt von Licht im Alltag Einen Schritt zu einer neuen Deutung des Begriffspaares Welle-Teilchen für Licht können wir machen, wenn wir beispielsweise an das Fotografieren bei schlechten Lichtverhältnissen denken. 93.3 zeigt, wie einzelne Punkte nacheinander ein Bild aufbauen, in dem schließlich keine Körnigkeit zu sehen sein sollte. Moderne Digitalkameras geben sich mit wenig Licht zufrieden, ihre Bildsensoren haben eine hohe Lichtempfindlichkeit. Trotzdem macht sich bei schlechten Lichtverhält- nissen die Körnigkeit des Lichts in verrauschten Aufnahmen bemerkbar: Z. B. wer- den gleichmäßig gefärbte Flächen fleckig dargestellt. Wir erwarten daher, dass die Teilchenaspekte von Licht besonders bei kleinen Photonenzahlen deutlich werden. Betrachten wir daher nochmals ein Experiment, das die Wellennatur des Lichtes zu beweisen schien, die Beugung am Spalt. 93.1 Die erste Deutung des Zusammenhangs zwischen Welle und Teilchen stammt von M AX B ORN . Sie wurde in einem Artikel über die Quantenphysik der Stoßprozesse veröffent- licht. Welle Teilchen Welle Teilchen Welle Teilchen übergeordnete Theorie ? Widerspruch in der Natur 93.2 Verschiedene Standpunkte zum Problem „Licht – Welle oder Teilchen?“ 93.3 Der Quantencharakter des Lichts lässt sich an einer Belichtungsreihe mit „unterbe- lichteten“ Fotografien beobachten. Ein Bild entsteht aus Einzelpunkten. 93 | QUANTENPHYSIK Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv