Auf dem Holzweg durchs Universum: Warum sich die Physik verlaufen hat (German Edition)

Teilchen?
    Einsteins Vorschlag für das Licht strapazierte das Vorstellungsvermögen schon erheblich, aber es kam noch schlimmer. Elektronen, die nach damaliger Überzeugung als kleinste Teilchen den Atomkern umkreisen, haben offenbar umgekehrt auch eine Wellennatur. Mit einem äußerst simplen Experiment lässt sich – eine irre Vorstellung für Teilchen – sogar ihre Wellenlänge messen. Diese ist nach Louis Victor de Broglie benannt, einem schüchternen französischen Aristokraten, der in seiner Doktorarbeit die entscheidende Formel dafür gefunden hatte. Er erhielt 1929 den Nobelpreis.
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    Dennoch muß ich ein Geständnis ablegen: Während der Verteidigung der Doktorarbeit habe ich nicht an die Realität der mit den Materieteilchen verbundenen Wellen geglaubt. 74 – Louis Victor de Broglie
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    Noch umwälzender vielleicht war der Beitrag von Erwin Schrödinger, der durch Einstein auf de Broglie aufmerksam wurde. Nachdenken konnte Schrödinger offenbar am besten in neuer Umgebung und außerehelicher Begleitung. Physikalisch besonders fruchtbar war ein solcher Skiurlaub 1925 in Arosa. Dort stellte er eine Wellengleichung für das Atom auf, in der das Elektron jene verrückte Rolle einer Welle einnahm. Sie machte erstmals anschaulich, dass sich Elektronen nur in bestimmten Zuständen mit festgelegter Energie um den Atomkern bewegen können. Entscheidend beteiligt war dabei wieder die Naturkonstante h, das Plancksche Wirkungsquantum. Die Idee, die Quantelung mit h überhaupt in der Atomphysik anzuwenden, war wiederum das Verdienst von Niels Bohr. Er hatte wohl gesehen, dass h die physikalische Einheit eines Drehimpulses hat, jener Größe, die uns die Rotation von Eiskunstläufern verstehen lässt. Dabei kam ihm der geniale Gedanke, Einsteins Quanten nicht nur als Lichtenergie, sondern auch als Portionen des Drehimpulses zu betrachten, mit dem Elektronen den Atomkern umrunden durften. [24] Beobachten konnte man dies durch die Lichtquanten von genau festgelegter Frequenz und Farbe, die von Atomen ausgesendet werden und daher Spektrallinien genannt werden. Bis heute wissen wir aber eigentlich nicht, was der ominöse Wert h = 6,62 ⋅ 10 −34 kg m 2 /s ‚wirklich‘ bedeutet – ist er in erster Linie eine Eigenschaft der Energie von Licht oder ein Drehimpuls von Materie? Lässt sich das eine aus dem anderen ableiten? Ist Einsteins Geistesblitz grundlegender – oder der von Bohr?
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    Wenn mir Einstein ein Radiotelegramm schickt, er habe nun die Teilchennatur des Lichtes endgültig bewiesen, so kommt das Telegramm nur an, weil das Licht eine Welle ist. – Niels Bohr
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    Die rätselhafte Quantelung von h erinnert daran, dass auch die elektrische Ladung nur in Vielfachen einer Elementarladung in der Natur vorkommt, ohne dass ein ursächlicher Zusammenhang bekannt wäre. Warum kommen manche Größen der Physik in Portionen vor und manche nicht? Und noch allgemeinere, aber beunruhigende Fragen: Warum quält uns die Natur überhaupt mit einer Eigenschaft wie dem Wirkungsquantum? Warum ist es so klein? Oder wäre eine Physik denkbar, in der diese Konstante gar nicht vorkommt? Und wenn nein, warum nicht? Naturphilosophisch betrachtet läge es sogar nahe, dass dieser winzige Drehimpuls h mit dem von Ernst Mach aufgeworfenen Problem verwoben ist, für die Drehungen des Raumes ein Bezugssystem zu finden. Niemand kennt die Antwort auf diese Fragen. Aber nach Gründen sollten wir zumindest suchen.
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    Niemand weiß zum Beispiel, warum die Ladung ein ganzzahliges Vielfaches der Ladung des Elektrons ist. 75 – Emilio Segrè
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    Werner Heisenberg enthüllte 1927 noch eine weitere Facette des Wirkungsquantums h: Innerhalb einer bestimmten Zeitspanne Δt lässt sich die Energie eines Teilchens nur mit der prinzipiellen Ungenauigkeit ΔE = h/Δt bestimmen, und eine entsprechende Unschärfe gilt für Ort und Impuls (das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit). All dies spiegelt natürlich nur das Dilemma von Welle und Teilchen wider, denn in sehr kurzen Zeitspannen ist die Lichtfrequenz und damit die Energie E = hf nur ungenau definiert. Aus ähnlichem Grund hat zum Beispiel Mozart Triller im Bass vermieden – der einzelne Ton wäre so kurz, dass nur wenige Wellenlängen im Ohr ankämen, und aufgrund der Unmöglichkeit der genauen Frequenzbestimmung hört er sich unvermeidlich unsauber an. Ein bekannter Welleneffekt, der aber natürlich noch nicht unser Rätsel löst: Warum präsentieren sich die Phänomene