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2002_2 Geheimmisse des Mikrokosmos Teil 4
(Nr. 91 bis 120)
Exkurs Doppelspaltexperiment
Einleitung: Das klassische Teilchenkonzept basierte auf der Vorstellung des antiken Atomismus. Dieser besagte, daß die Materie aus kleinsten Teilchen besteht. Hinzu kommt die Mathematik der Punktmechanik. Sie schreibt diesen Teilchen festgelegte Raum-Zeit-Bahnen zu. Die Bedeutungen haben sich verschoben und so ist heute der Begriff Teilchen von der Punktmechanik entkoppelt. Aus Materiebestandteilen wurden "quantentheoretische Objekte". Und es gibt einige quantentheoretische Objekte die nicht Materiebestandteile sind.
91a) Das Licht hat Welleneigenschaften (Beugung, Interferenz und Polarisation).
91b) Das Licht hat Teilchenaspekte (Emission und Absorption). Beugung an einer Lochblende: Die Auftreffpunkte der nacheinander eintreffenden Elektronen bilden ein Beugungsbild. Es ist nicht vorhersagbar, wo ein einzelnes Elektron, daß durch das Loch geht, auf den Schirm auftreffen wird.
92) Die Ungenauigkeit wächst umgekehrt mit dem Lochdurchmesser, d.h. bedingt durch die Tatsache, daß das Teilchen an einer Stelle seiner Bahn seinen Aufenthaltsort mit einer Ungenauigkeit von höchstens r festlegen mußte, führt dazu, daß sein Impuls mit einer Ungenauigkeit h/r belastet wird.
93) In der Wechselwirkung mit Materie verhalten sich Elektronen und Photonen wie punktförmige Teilchen. Wird der Doppelspaltversuch mit geringer Intensität gefahren, leuchtet der Schirm jeweils punktweise beim Eintreffen des Elektrons auf. Doch die Gesamtheit dieser Punkte bildet wieder das Beugungsbild.
94) Beim Doppelspaltexperiment erzeugen Photonen oder Elektronen auf dem Projektionsschirm hinter den beiden Blenden ein Interferenzmuster - ein klares Wellenphänomen.
95) Die "Kopenhagener Schule der Quantenphysik" um Niels Bohr (Gründer) und anderen z.B. Born, Heisenberg und Jordan interpretierte dieses Ergebnis des Experiments als Beweis dafür, daß ein Beobachter Einfluß nimmt. Der Beobachter entscheidet durch den Aufbau der Messung, ob sich z.B. ein Photon als Welle oder als Partikel bemerkbar macht.
96) Die Anhänger eines mechanistischen philosophischen Weltbildes (vergleichbar: Uhrwerk) waren die Mitbegründer des "Dualismus" in der Physik. Diese dualistischen Wissenschaftler akzeptierten die Kopenhagener Deutung nicht. Zu ihnen gehörten u.a. Einstein, Planck, von Laue, Schrödinger und später kamen de Broglie und Dirac (ehemalige Pro-Kopenhagener) hinzu.
97) Auch wenn die dualistischen Wissenschaftler der Deutung widersprachen, hatten sie selbst keine Erklärung für dieses Phänomen. Das erinnert etwas an Tesla, der Relativitätstheorie und Quantentheorie als Absurditäten anprangerte, aber selbst keine Alternative lieferte .
98) Die Doppelnatur von Teilchen und Feld wird oft mit dem Begriff "Welle-Teilchen-Dualismus" beschrieben. Der Inhalt: Beschreibung von quantentheoretischen Objekten ist vom Experiment abhängig, d.h. je nach Experiment verhält sich das Objekt wie ein klassisches Teilchen oder eine klassische Welle.
99) Die heutigen Theorien über Elementarteilchen sind keine Teilchentheorien mehr. Der Begriff Teilchen läßt sich nur schwer übersetzen. Vielfach wird von quantenmechanischen Objekten oder von beliebigen Quantenobjekten gesprochen.
100) Der Wellenaspekt eines Quantenobjektes wird in interferenzfähigen Eigenzuständen zu scharfen Impulswerten realisiert. Der Teilchenaspekt eines Quantenobjektes wird in scharf lokalisierten Ortszuständen realisiert.
101) Wenn beide Observablen keine scharfen Werte haben, ist das Quantenobjekt in den allermeisten Zuständen weder Welle noch Teilchen, sondern ein Mittelding, eine Entität.
102) Die Raum-Zeit-Bahn und deren Interferenzbild kann man auf Ensemble-Ebene mit einem gemeinsamen Grad an Wahrscheinlichkeit messen. Solche Entitäten, die gegen Bohrs Komplementaritätsprinzip verstoßen, lassen sich auch experimentell realisieren. Die Frage die sich stellt: Was sind Entitäten? Und: Sind sie fundamental?
103) "Der Teilchenbegriff der neuzeitlichen Physiker ist nichts anderes als eine Variante des Substanzbegriffs der traditionellen Metaphysik. Dieses Konzept ist ungeeignet um die experimentellen Befunde der Teilchenphysik zu erklären. In Bohrs Sinne konstatiert: Ein Teilchen entsteht als Teilchen (als ein zumindest vorübergehend lokalisiertes Etwas) erst an der Apparatur mit den Eigenschaften eines Teilchendetektors." Brigitte Falkenburg
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Exkurs Farbe & Strahlung
105) Zum Elektromagnetismus gab es vier Gleichungen, die von Maxwell zusammengefaßt wurden.
106) Die elektromagnetische Strahlung besteht aus oszillierenden, elektrostatischen und magnetischen Feldern, die im rechten Winkel zueinander stehen.
107) Je schneller die Vibrationen sind, die ein elektromagnetisches Strahlungsfeld produziert, umso kürzere Wellen werden erzeugt. Die Wellen müssen wenigstens so lang sein, wie die Vibrationen ihrer Quelle.
108) Theoretisch müßten die kürzesten elektromagnetischen Wellen mindestens so groß sein wie das kleinste subatomare Teilchen, können dafür aber eine fast unendliche Länge haben.
109) Die maximale Wellenlänge, die von einem Empfänger aufgenommen werden kann, hängt von seiner Antenne ab. So ist eine gerade Antenne von 3 Meter Länge optimal für die Aufnahme von Signalen um 100 MHz. Und ein kleiner Ring eignet sich zum Empfang von 60 cm UHF-Wellen.
110) Eine Welle ist vorstellbar als wechselnde elektromagnetische Felder. Sämtliche elektromagnetische Strahlung entsteht letzten Endes bei der Bewegung elektrischer Ladungen.
111) Strahlung ist eine sich räumlich ausbreitende Energie. Im Kern ist die Energie elektromagnetischer Natur, d.h. sie ist gequantelt, kommt nur in diskreten Einheiten vor.
112) Die meiste festgestellte Strahlung ist thermisch (Elektronenbewegungen) Alle Materie gibt Strahlung ab, je heißer ein Objekt, umso mehr Strahlung und umso kürzer deren Wellenlänge. Menschen strahlen im Infrarot, heiße Sterne im sichtbaren Licht.
113) Es gibt zwei nichtthermische Strahlungsquellen.
113a) Synchrotronstrahlung: ein Elektron mit fast Lichtgeschwindigkeit bewegt sich durch ein sehr starkes Magnetfeld. Sie befindet sich am Radioende des Spektrums.
113b) Bremsstrahlung: ein geladenes Teilchen, insbesondere Elektronen werden durch ein elektrisches Feld zu Geschwindigkeitsänderungen veranlaßt. Je stärker die Änderung, umso kürzer die Wellenlänge. Sie ist meist Röntgenstrahlung.
114) Es wird grundsätzlich unterschieden zwischen Korpuskularstrahlung und Wellenstrahlung.
114a) Je größer die Geschwindigkeit der Korpuskeln (lat.: Körperchen) wird, umso besser lassen sie sich durch das Teilchenbild beschreiben und werden Korpuskularstrahlen genannt.
114b) Wellenstrahlung: Die Wellenlänge l=(2*p) / k) ist die Entfernung zweier Punkte, die im gleichen Schwingungszustand sind. Die Geschwindigkeit, mit der sich solch ein Punkt fortbewegt, heißt Phasengeschwindigkeit, sie ist gleich Kreisfrequenz w / Wellenzahl k. Mehrere solcher periodischer Wellen können sich überlagern und bilden (wenn sie auf einen bestimmten Raumbereich beschränkt sind) eine Wellengruppe. Deren Fortpflanzungsgeschwindigkeit = Gruppengeschwindigkeit kann laut Relativitätstheorie nie größer als c sein.
115) Alles was wärmer als Null Kelvin ist, strahlt Energie aus. Sollte sie nicht wahrnehmbar sein, kann es auch daran liegen, daß der Körper genauso viel Energie bekommt wie er abstrahlt. Gleichgewicht mit der Umgebung heißt nicht, daß keine Energie ausgetauscht wird.
116) Je höher die Temperatur, je wärmer das Objekt, je schneller die Elektronenbewegung, desto kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz der Strahlung, desto größer die Energie.
117a) Jede Temperatur hat ihre Wellenlänge bzw. ihre Farbe (wenn die Strahlung im sichtbaren Licht ist). Diese sog. Farbtemperatur, erlaubt die optische Temperaturmessung, ein wichtiges Hilfsmittel für die Astronomen.
Objekte und Strahlungsmaxima:
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117b) Mit der Farbtemperatur lassen sich die Oberflächentemperaturen von Sternen bestimmen. Die Verbindung von Wärme und Lichtfarbe wird mit der sogenannten Schwarzkörperstrahlung untersucht. Ein Schwarzer Körper absorbiert fast die gesamte empfangene Strahlung. Sterne sind fast ideale schwarze Körper, daher dient ihre Farbe als sicherer Indikator für ihre Oberflächentemperatur.
117c) Beispiele für Sterntemperatur, max. Wellenlänge in Ängström (100 Mio. Ängström = 1 cm) und dazugehörende Farbe/Strahlung:
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118) Stefan/Boltzmann-Gesetz: Der von einem Hohlraumstrahler je Sekunde und je Flächeneinheit ausgesandte Gesamtstrahlungsstrom ist allein von der Temperatur abhängig. Die Gesamtstrahlung eines schwarzen Körpers ist der 4-ten Potenz der absoluten Temperatur ( T4 ) proportional.
119a) Der größte Schwarze Körper ist das Universum. COBE zeichnete das Strahlungsspektrum auf. Es hatte einen deutlichen Gipfel bei etwa 1, (das bedeutet - 240,424 °C = 2,73 Grad über dem absoluten Nullpunkt).
119b) Diese Strahlung geht auf die Zeit ca. 300 000 Jahre nach dem Urknall zurück: Die damalige Schwarzkörpertemperatur lag bei ca. 2 760 °C und hatte eine kürzere Wellenlänge (im Infrarotbereich des Spektrums).
119c) Die Abkühlung und die veränderte Wellenlänge sind das Ergebnis der Expansion des Raumes.
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