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Dr. Silke Mai





Physik und Quantentheorie

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Um zu verstehen, wie unsere Welt funktioniert und welche Naturgesetze wirken, ist es nützlich, einen Blick auf die Physik zu werfen, die uns den Aufbau unseres Universums erklärt.

Nach heutiger Auffassung besteht unsere Welt aus Atomen. Sie sind der Baustein aller Materie auf unserer Erde. Dabei gibt es verschiedene Arten von Atomen, die die Elemente darstellen. Diese Elemente können sich mit anderen Elementen oder mit sich selbst zu Molekülen verbinden. Moleküle wiederum bilden die Grundlage unserer chemischen und biologischen Prozesse.

Atome sind winzig klein und mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen. Alle 6 Milliarden Menschen, die zur Zeit auf der Erde leben, würden, wenn ein Mensch so groß wie ein Atom wäre, nur eine etwa 60 cm lange Kette bilden.

Atome bestehen aus einer Atomhülle und einem Atomkern. Der Kern ist positiv geladen, die Atomhülle negativ, wobei das gesamte Atom neutral ist. Die Hülle ist ungefähr 10.000 mal größer als der Kern. Wenn der Atomkern die Größe einer Kirsche hätte, dann wäre ein ganzes Atom so groß wie der Kölner Dom. Dabei ist im Kern fast die gesamte Masse des Atoms lokalisiert.

Die Atomhülle wird von sogenannten Elektronen gebildet, die nach der Theorie von Nils Bohr den Kern wie Planeten die Sonne umkreisen. So vermittelt dieses vereinfachte Modell die Vorstellung, es handele sich bei den Elektronen um kleine Teilchen. Diese Teilchen müssten also durch Energiezufuhr aus ihrer „Umlaufbahn“ um den Kern herausgeschossen werden können. Das ist auch tatsächlich experimentell möglich. Zum Beispiel kann energiereiches Licht Elektronen freisetzen, was als Photoeffekt bezeichnet wird.

Nun glaubte man früher, dass sich beim Photoeffekt die Energie des Lichts direkt auf das Elektron übertragen und somit die Geschwindigkeit eines herausfliegenden Elektrons bei einer Erhöhung der Energie des Lichts zunehmen müsse. Es stellte sich jedoch heraus, dass sich dabei lediglich die Anzahl der Elektronen, die aus den Atomen gelöst wurden, erhöhte, nicht deren Geschwindigkeit.

Dieses Phänomen läßt sich erst mit der Quantentheorie erklären.

Einstein entwickelte 1905 die Theorie, dass die Energie des von einer Lichtquelle ausgestrahlten Lichts keine einfache Welle ist, die sich im Raum verteilt, sondern dass sie in kleinen Portionen von der Lichtwelle mitgeführt wird. Er formulierte seine Lichtquantentheorie, nach der das Licht einen Strom von Teilchen, den sogenannten Lichtquanten oder Photonen, bildet.

Wenn das Licht nun aus Photonen besteht, dann wird das Photon bei einem Zusammenstoß mit einem Elektron dieses durch Impulsübertragung aus dem Atom schleudern. Wird die Energie des Lichts erhöht, erhöht sich somit die Anzahl der Photonen, die nun mehr Elektronen als vorher treffen.

Sie werden sich wundern, dass Licht aus Teilchen bestehen soll, obwohl wir es uns allgemein als eine Welle vorstellen, die sich im Raum ausbreitet. Viele Experimente lassen aber tatsächlich darauf schließen, dass Licht aus Teilchen, also Photonen, besteht. Es kam jedoch noch etwas anderes Erstaunliches zutage: Je nach Art des Experiments verhält sich ein Photon entweder wie eine Welle oder wie ein Teilchen.

In der Tat ist dieses Verhalten äußerst widersprüchlich, obwohl es von jedem Physiker akzeptiert und gelehrt wird. Und besser noch: Es hat sich gezeigt, dass dieses seltsame Verhalten nicht nur auf Photonen beschränkt ist. Auch alle anderen kleinsten Teilchen, aus denen unsere Materie besteht, zeigen genau das gleiche Verhalten. So erscheinen uns auch die eben erwähnten Elektronen mal als Teilchen, mal als Welle.

Dies wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet.

Ein Teilchen ist etwas Lokales, das eine Position besitzt, eine Welle ist dagegen etwas Räumliches, dem man eine Frequenz zuordnet. Um dieses Phänomen zu beschreiben, ist die Quantentheorie entwickelt worden.

Nach der Idee von Niels Bohr bilden Welle und Teilchen komplementäre, d.h. gegensätzliche Bilder, die beide notwendig sind für eine vollständige Beschreibung der Materie, wobei in einem bestimmten Augenblick immer nur eins der beiden realisiert sein kann. Unsere Betrachtung ist nur dazu fähig, einen Zustand zur Zeit zu erkennen, aber niemals beide gemeinsam. Was wir wahrnehmen, hängt immer von der Art der Betrachtung ab und worauf wir unsere Aufmerksamkeit lenken. Unsere gesamte Materie besteht also sowohl aus Wellen als auch aus Teilchen. Sie ist also einerseits lokalisiert, gleichzeitig aber auch räumlich verteilt.

Wir betrachten im allgemeinen unsere Welt als definierte Teilchen. Wir sehen die lokalisierten Gegenstände und bezeichnen sie mit unserer Sprache als „Dinge“. Das ist jedoch nur die eine Seite der Medaille. Ebenso besteht unsere Welt aber auch aus Wellen. Wellen sind über den Raum ausgedehnt, überlagern sich, beeinflussen sich gegenseitig und bilden Muster im Raum. Das ist eine Betrachtungsweise, die für uns sehr ungewohnt ist. Unsere Sinnesorgane scheinen eher die Materie als Teilchen wahrzunehmen, als als Welle. Manchmal spüren wir jedoch das Vorhandensein von Wellen. Wenn jemand hinter uns tritt, den wir nicht gesehen haben, spüren wir es vielleicht manchmal, dass dort jemand ist. Oder wenn wir plötzlich das Gefühl haben, es sei etwas Schreckliches passiert, was sich später bestätigt, haben wir ebenfalls diese Wellen wahrgenommen. Wir scheinen daher Wellen eher zu fühlen, statt sie zu sehen. Das wird im Allgemeinen als Intuition bezeichnet.

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© Dr. Silke Mai, zuletzt geändert 09/2008