Es ist in der Physik eine der erstaunlichsten Tatsachen:
Alles im Universum vom Licht über Elektronen bis zu Atomen
verhält sich gleichzeitig wie ein Teilchen und wie eine Welle.
Das ganze andere komische Zeug,
das du vielleicht über Quantenphysik gehört hast,
Schrödingers Katze, Gott würfelt nicht und spukhafte Fernwirkung
folgt direkt aus der Tatsache,
dass alles eine Teilchen- und Wellennatur hat.
Das klingt vielleicht verrückt.
Wenn man sich umsieht, erkennt man Wellen im Wasser und Felsenteilchen
und sie sind nicht vergleichbar.
Wie kommt man dann darauf sie zu kombinieren?
Physiker haben nicht ohne Grund diese Dinge miteinander vermischt.
Vielmehr wurden sie zur dualen Natur des Universums
durch einen Prozess der kleinen Schritte geführt,
der viele Beweisstücke wie bei einem Puzzle zusammenfügte.
Die erste Person,
die eine duale Natur des Lichts ernsthaft vorschlug,
war Albert Einstein im Jahr 1905,
aber er griff eine frühere Idee von Max Planck auf.
Planck erklärte die Farben des Lichts,
die heiße Objekte, wie der Glühfaden in der Glühbirne aussendet.
Aber dazu benötigte er einen extremen Trick:
Er meinte, die Objekte würden aus Oszillatoren bestehen,
die Licht nur in separaten Blöcken aussenden könnten,
also in Energieeinheiten, die von der Lichtfrequenz abhingen.
Planck war damit nie wirklich glücklich,
aber Einstein griff es auf und arbeitete damit.
Er wendete Plancks Idee auf das Licht selbst an,
indem er meinte, das Licht, jedem als Welle geläufig,
sei tatsächlich ein Photonenstrom,
mit einer jeweils eigenen Energiemenge.
Einstein nannte es selbst das einzig wahre Revolutionäre,
das er getan hätte,
aber es erklärt, wie Licht,
das auf metallische Oberflächen scheint, Elektronen herausschlägt.
Sogar Leute, die diese Idee ablehnten,
mussten zugeben, dass sie brillant funktioniert.
Das nächste Puzzle-Teil kam von Ernest Rutherford aus England.
Ernest Marsden und Hans Geiger, die für Rutherford arbeiteten,
schossen im Jahr 1909 Alpha-Teilchen auf Goldatome
und waren erstaunt herauszufinden, dass manche direkt zurückprallten.
Das zeigte: Die meiste Masse des Atoms findet sich in einem winzigen Atomkern.
Das gezeichnete Atom aus der Grundschule
mit Elektronen, die herumkreisen wie in einem Miniatur-Sonnensystem,
ist von Rutherford.
Es gibt nur ein kleines Problem mit Rutherfords Atommodell:
Es funktioniert nicht.
Die klassische Physik sagt uns, dass ein Elektron,
das im Kreis herumschnellt, Licht aussendet
und verwendet das, um Radiowellen oder Röntgenstrahlen zu erzeugen.
Rutherfords Atome sollten kurzzeitig
Röntgenstrahlen in alle Richtungen versprühen,
bevor das Elektron einer Spirale folgend in den Atomkern kracht.
Niels Bohr, ein dänischer theoretischer Physiker,
der mit Rutherford arbeitete,
wies darauf hin, dass Atome offensichtlich existieren,
also vielleicht die Gesetze der Physik geändert werden müssten.
Bohr schlug vor, dass ein Elektron auf gewissen speziellen Umlaufbahnen
überhaupt kein Licht aussendet.
Atome verschlucken und senden Licht nur aus,
wenn Elektronen die Umlaufbahn wechseln,
und die Lichtfrequenz hängt vom Energieunterschied ab,
wie es Planck und Einstein einbrachten.
Bohrs Atom löst Rutherfords Problem
und erklärt, warum Atome nur sehr bestimmte Lichtfarben aussenden.
Jedes Element hat seine eigenen speziellen Umlaufbahnen
und somit seine eigene einzigartige Reihe an Frequenzen.
Das Bohr-Modell hat nur ein winziges Problem:
Es gibt keinen Grund für spezielle Umlaufbahnen.
Aber Louis de Broglie, ein französischer Doktorand,
rundete alles ab.
Er wies darauf hin, dass wenn Licht, das jedem als Welle geläufig war,
sich wie ein Teilchen verhält,
sich vielleicht das Elektron, das jedem als Teilchen geläufig war,
wie eine Welle verhält.
Wenn Elektronen Wellen sind,
ist es einfach, Bohrs Regel zum Auffinden spezieller Umlaufbahnen zu erklären.
Sobald man sich vorstellt, dass Elektronen sich wie Wellen verhalten,
kann man nach ihnen suchen.
Innerhalb weniger Jahre beobachteten Wissenschaftler
in den USA und im Vereinigten Königreich
das wellenartige Verhalten von Elektronen.
Heute hat man dafür eine wunderbar klare Demonstrationsmöglichkeit:
Einzelne Elektronen auf Hindernisse mit Schlitzen zu schießen
Jedes Elektron wird wie ein Teilchen
an einem bestimmten Ort zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasst.
Wiederholt man das Experiment viele Male
umreißen die einzelnen Elektronen ein Streifenmuster,
das kennzeichnend für Wellenverhalten ist.
Die Vorstellung, dass Teilchen sich wie Wellen verhalten und umgekehrt,
ist eine der seltsamsten und mächtigsten in der Physik.
Der berühmte Ausspruch von Richard Feynman lautet,
dass dies das wesentliche Rätsel der Quantenmechanik sei.
Alles andere folgt daraus
wie Puzzle-Teile, die sich zusammenfügen.