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4 Quantenmechanik

Die Quantinotheorie entstand, um die Maxwellgleichungen, das spezielle Relativitätsprinzip und die universelle Konstanz der Lichtgeschwindigkeit durch einen einfachen, logischen und anschaulichen Mechanismus zu erklären. Bemerkenswerterweise zeigte sich später, dass die Quantinotheorie auch die Schwerkraft beschreibt und dass diese nur eine elektromagnetische Restwechselwirkung darstellt. Mit dem Verständnis der Gravitation wurde dann auch klar, weshalb Masse Energie enthält und wieso die newtonschen Axiome die Form haben, die sie haben.

Es war eine bemerkenswerte Feststellung, dass die Idee der Quantinos nicht nur eine anschauliche Erklärung für die so unverständlich scheinende bezugssystemunabhängige Konstanz der Lichtgeschwindigkeit liefert, sondern dass sich mit der gleichen Modellvorstellung auch der auf den ersten Blick nicht minder paradox erscheinende Welle-Teilchen-Dualismus erklären lässt. Das darzustellen ist Aufgabe dieses Abschnittes.

4.1 Das Doppelspaltexperiment

4.1.1 Experimentelle Beobachtungen

Das Paradebeispiel der physikalischen Standardliteratur zur Veranschaulichung der vermeintlich prinzipiellen Nichtverstehbarkeit des Welle-Teilchen-Dualismus ist das Doppelspaltexperiment. Der Versuch stammt ursprünglich aus der klassischen Physik und kann mit allen Arten von Wellen, wie Wasserwellen, Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen durchgeführt werden. Der grundsätzliche Versuchsaufbau ist für sichtbares einfarbiges Licht besonders einfach: auf einer Seite befindet sich die Lichtquelle, auf der anderen Seite eine Photoplatte. Zwischen Quelle und Photoplatte befindet sich eine für die Welle undurchdringliche Blende mit zwei Schlitzen oder Löchern.

Abbildung 4.1.1.1: Der Partikelstrahl kann nur einen der Schlitze passieren. Es tritt keine Interferenz auf.
Abbildung 4.1.1.2: Der Partikelstrahl geht durch beide Schlitze. Nach einer gewissen Zeit wird das Interferenzmuster sichtbar.
Aufgrund der Blende kann das Licht den Schirm nur über einen der beiden schmalen Schlitze erreichen. Nach dem huygensschen Prinzip kann jeder dieser Schlitze als die Quelle einer Kugelwelle angesehen werden. Da das Licht einfarbig ist, überlagern sich die beiden Kugelwellen und auf der Photoplatte entsteht das typische Interferenzmuster. Seit Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts ist aber bekannt, dass Licht nicht nur eine Welle ist, sondern auch Teilchencharakter besitzt. Am deutlichsten wird dieses beim photoelektrischen Effekt. Aber auch beim Doppelspaltexperiment kann man den Teilchenaspekt des Lichtes nachweisen, indem man die Lichtintensität reduziert und die Photoplatte nur sehr kurz belichtet. Bemerkenswert ist, dass das Interferenzmuster unter diesen Umständen nicht mehr kontinuierlich, sondern körnig und gepunktet erscheint. Genau so, als ob das Licht aus Partikeln bestehen würde, deren Wirkung sich erst innerhalb einer gewissen Zeitspanne auf der Photoplatte zu einem kontinuierlichen Interferenzmuster aufintegriert.

Statt des Lichtstrahls kann auch ein Elektronenstrahl verwendet werden. Nach klassischer Vorstellung sind Elektronen unteilbare, kleine Partikel, die entweder den einen- oder aber den anderen Schlitz passieren (Abbildung 4.1.1.1). Ohne weiteres Vorwissen würde man daher nicht vermuten, dass Interferenz auftritt. Tatsächlich passiert aber genau das, wobei die Ergebnisse qualitativ genau denen entsprechen, die man bei einem Lichtstrahl erhält: Eine lange Belichtungsdauer oder eine hohe Strahlintensität führt zu einem kontinuierlichen Interferenzmuster, eine kurze Belichtungsdauer oder eine geringe Strahlintensität offenbart den Teilchencharakter des Elektronenstrahls (Abbildung 4.1.1.2). Es wird aber noch besser. Verschließt man nämlich einen der Schlitze oder versucht zu ermitteln, auf welcher Bahn sich die einzelnen Elektronen bewegen, so verschwindet das Interferenzmuster.

Die Mehrheit der Physiker sucht längst nicht mehr nach einer logischen Erklärung für dieses Phänomen. Stattdessen hat sich der Gedanke durchgesetzt, dass es für den Menschen prinzipiell unmöglich ist, quantenmechanische Probleme zu verstehen, da der menschliche Geist aufgrund seiner biologischen Evolution in einer makroskopischen Welt nicht in der Lage ist, derartiges intuitiv zu erfassen. Um überhaupt weiterarbeiten zu können, sahen sie sich gezwungen, einen mathematischen Formalismus zu erschaffen, welcher diese Phänomene auf rein mathematische Weise beschreibt. In diesem Quantenmechanik genannten Modell wird ein Elektron oder ein anderes kleines Materieteilchen nicht mehr als ein punktförmiges Objekt verstanden. Stattdessen wird es durch eine abstrakte Wellenfunktionen dargestellt, dessen Schwingung in einer zusätzlichen Dimension stattfindet und die im Falle des Doppelspaltexperimentes beide Schlitze gleichzeitig passiert.

Dieser ursprünglich sicher nur als Provisorium gedachte Formalismus hat sich trotz seiner Unanschaulichkeit als sehr erfolgreich erwiesen. Mittlerweile wurde jedoch ein Punkt erreicht, an dem es zu einer deutlichen Verlangsamung bei der technischen Entwicklung gekommen ist. Dieses wird von der Allgemeinheit allerdings kaum wahrgenommen, da die Defizite durch Erfolge anderer Wissenschaftszweige, wie der Informatik, der Elektronik, den Materialwissenschaften oder der Biologie ausgeglichen werden; alles Disziplinen, welche mehr oder weniger gut auch ohne eine verständliche und logische Physik auskommen. Trotzdem ist in den letzten 50 Jahren ein hohes Maß an technischer Stagnation zu beobachten. Der Grund dafür ist einfach: Aufgrund des hohen Abstraktionsgrades ist die zeitgenössische theoretische Physik nur noch für extreme Spezialisten zugänglich und wird daher von allen anderen Wissenschaftszweigen praktisch ignoriert. Technischer Fortschritt kann ohne sie aber auf Dauer nicht stattfinden. Aus diesem Grund ist es nicht nur von philosophischem Interesse, die tatsächlichen Mechanismen hinter den Effekten der Quantenmechanik zu verstehen, sondern von ganz erheblicher praktischer Relevanz.

Es muss an dieser Stelle erwähnt werden, dass nicht alle Physiker die Vorstellung teilen, dass sich die Natur auf Quantenebene schon aus ganz prinzipiellen Gründen nicht begreifen ließe. An dieser Stelle hervorzuheben ist die De-Broglie-Bohm-Theorie, die, obwohl sie mit den physikalisch nachweisbaren Eigenschaften der Quantenmechanik kompatibel ist ([Passon2010], [Duerr2001]), eine deterministische Erklärung zur Verfügung stellt. Allerdings hat die De-Broglie-Bohm-Theorie den Nachteil, dass sie sogenannte Pilot- oder Führungswellen postulieren muss, jedoch nicht erklären kann, wodurch diese entstehen. Der nachfolgende Abschnitt wird zeigen, dass das Modell, welches aus den Axiomen der Quantinotheorie folgt, eine sehr starke Ähnlichkeit zur De-Broglie-Bohm-Theorie aufweist und darüberhinaus erklären kann, was diese Pilotwellen sind und wie sie entstehen.