Teilchen und Wellen: Das wesentliche Rätsel der Quantenmechanik - Chad Orzel

Die ganze Lektion unter: http://ed.ted.com/lessons/particles-and-waves-the-central-mystery-of-quantum-mechanics-chad-orzel

Eines der erstaunlichsten Sachverhalte in der Physik ist, dass sich alles im Universum vom Licht über Elektronen bis zu Atomen gleichzeitig wie ein Teilchen und wie eine Welle verhält. Aber wie kamen Physiker zu dieser verblüffenden Schlussfolgerung? Chad Orzel berichtet von der Reihe von Wissenschaftlern, die auf der Entdeckung des jeweils anderen aufgebaut haben, um zu diesem wesentlichen Rätsel der Quantenmechanik zu gelangen.

Lektion von Chad Orzel, Animation von Joana Bartolomeu.

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.