Wissenschaft und Kritik
- Physik: Quantenphysik -

© 1998 - 2009 Wolfgang Neundorf
Stand:12.04.2009

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Die Quantentheorie war die Antwort auf Widersprüche, die sich aus verschiedenen Erfahrungsbereichen der Physik ergaben. Einerseits galt die Maxwellsche Elektrodynamik als über jede Zweifel erhaben; doch andererseit brachten andere Erfahrungstatsachen - hier sei das Spektrum des thermische Stahlers genannt und auch der photoelektrische Effekt - die Physiker in ernsthafte Schwierigkeiten. Die theoretischen Mosaiksteinchen wollten sich nicht in ein Bild einfügen lassen. Daran hat sich bis heute nichts geändert.

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Max Planck

Nun ist noch die Verteilung der Energie auf die einzelnen Resonatoren innerhalb jeder Gattung vorzunehmen… . Wenn E als unbeschränkt teilbare Größe angesehen wird, ist die Verteilung auf unendlich viele Arten möglich. Wir betrachten aber - und dies ist der wesentliche Punkt der ganzen Berechnung - E als zusammengesetzt aus einer ganz bestimmten Anzahl endlicher gleicher Teile… .
Max Planck, 14.12.1900

Max Planck
1858 - 1947

 

Inhalt

  1. Quanten und Elektrodynamik
  2. Quanten und Wärme
  3. Einstein und die Lichtquanten

 

Wissenschaft und Kritik - Physik

 

Quanten

 

Quanten und Elektrodynamik

30.05.2000

Thema eines anderen Beitrages war die Elektrodynamik. Ende des 19. Jahrhunderts galt diese physikalische Disziplin als vollendet und über jeden Zweifel erhaben. Und dennoch tauchten schier unüberwindliche Widersprüche auf. Irgendwann erlangt eine physikalische Theorie - hat sie sich erst einmal durchsetzen können - den Status der "endgültigen Vollendung". Dies will sagen, es gibt dann keine Möglichkeit mehr, auch nur den geringsten Zweifel an deren Richtigkeit zu äußern. Über jeden Zweifel erhaben gilt somit ebenfalls die Maxwell sche Elektrodynamik spätestens zum Ausgang des 19. Jahrhunderts. Die Indizien sind erschlagend: vom Regenbogen bis zur Satelliten-"Schüssel", vom Fahrrad-Dynamo bis zum Megawatt-Generator im Kraftwerk, vom Lautsprecher bis zum mit flüssigen Helium gekühlten Elektromagneten im Teilchenbeschleuniger.

Alle technischen Errungenschaften, die irgend etwas mit Elektrizität, Magnetismus, Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlen usw. zu schaffen haben, liefern weitere Indizien für die "Endgültigkeit" der Theorie des elektromagnetischen Feldes. Die Beweislast ist erdrückend. Keine Macht der Welt kann daran rütteln. Die Physiker waren - und sind - eindeutig auf dem richtigen Weg!

Die Angelegenheit wäre recht einfach zu bewerten, gäbe es keine anderen physikalischen Erscheinungen, die sich eben nicht in das Bild der (klassischen) Elektrodynamik einfügen lassen. Nun lieferte gerade Heinrich Hertz einen ersten Hinweis dafür, dass "irgend etwas nicht stimmte". Die Rede davon war bereits im vorausgegangenen Beitrag: Der lichtelektrische Effekt ist gemeint. Hertz nahm einen solchen Effekt bereits 1887 zur Kenntnis, befasste sich damals aber vordergründig mit der Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen. Erst Philipp Lenard untersuchte diese Angelegenheit - drei Jahre später - etwas näher.

Es geht um folgendes: Nehmen wir ein evakuiertes Glasgefäß mit zwei eingeschmolzenen Elektroden. Legen wir an beide Elektroden (die negative Elektrode wird Kathode genannt und die positive heißt Anode) eine elektrische Spannung an, so wird zunächst nichts passieren, da ein Vakuum nun einmal keinen elektrischen Strom leitet. Es gibt aber die Möglichkeit, dass aus der Kathode Elektronen herausgelöst werden können, indem der Kathode Energie zugeführt wird. Übersteigt diese Energie die Austrittsarbeit für die Elektronen, so besteht die Möglichkeit, letztere durch die angelegte Spannung zur (positiven) Anode zu bewegen. Ein Stromfluss kommt zustande.

Was die der Kathode nun zugeführte Energie anbelangt, so kann dies z.B. Wärmeenergie sein. In Elektronenröhren wird die Kathode elektrisch geheizt. In den Bildröhren der Fernsehempfänger oder Computermonitore kommt dieser Effekt zum Tragen. (Bei Farbbildröhren sind es drei "Elektronenschleudern".)

Aber auch Licht kann als Energielieferant dienen. Dabei stellte man fest, dass die Austrittsenergie der Elektronen nicht von der Lichtintensität, sondern von deren Wellenlänge abhängig ist! Die Lichtintensität beeinflusst lediglich die Anzahl der aus dem Atomverband der Kathode herausgelösten Elektronen. Und je kürzer die Wellenlänge des Lichtes, um so mehr Energie wird den Elektronen mit auf den Weg gegeben. Dies ist der sog. lichtelektrische Effekt .

Die Sache hat aber einen entscheidenden Haken: Die Wellentheorie des Lichtes ist nicht in der Lage,
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diesen Effekt auch nur ansatzweise zu erklären. Hier wäre die Energie nicht von der Wellenlänge des Lichtes abhängig, sondern von dessen Intensität. Albert Einstein (1879 - 1955) lieferte 1905 eine Erklärung, die mit der klassischen Elektrodynamik eigentlich gänzlich unvereinbar war. Für die Einführung der Lichtquanten (Photonen) wurde Einstein 1921 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.


 

Quanten und Wärme

08.06.2000

Wärme tritt zum einen als körperliche Eigenschaft und zum anderen als Strahlung auf.

Erwärmte Körper sind in der Lage, elektromagnetische Strahlung auszusenden. Zum Ausgang des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts befassten sich namhafte Physiker u.a. mit diesen Zusammenhängen. Wärme tritt in zweierlei Form auf. Zum einen ist sie - als Eigenschaft - an materielle Substanzen gebunden. Körper - ob gasförmig, flüssig oder fest - können Energie in jener Form aufzunehmen, die wir subjektiv als Wärme empfinden. Objektiv gesehen handelt es sich um die mechanische Energie der Atome und Moleküle, die in der Lage ist, physikalische und/oder chemische Reaktionen auszulösen. Auch wenn man noch keine allzu konkreten Vorstellungen von eben diesen Atomen hatte, so konnte sich - im Rahmen der statistischen Mechanik - das "Billard-Kugel-Modell" bewähren. Bei Gasen war dies noch vergleichsweise einfach: Die thermodynamische Größe Temperatur (als makroskopischer Parameter) auf der einen Seite und die mittlere Geschwindigkeit der Atome (respektive Moleküle) auf der anderen Seite standen in gewisser Beziehung zueinander.

Parallel zu dieser "körperlichen Wärme" existiert aber auch noch eine andere Form der Übertragung von Wärmeenergie: Die Wärmestrahlung . Dies ist triviale Alltagserfahrung. Die Wärmestrahlung können wir sogar spüren, nähern wir uns einem Ofen oder Heizkörper. Und ist die Temperatur nur hoch genug, strahlt ein erhitzter Körper sogar Licht aus. Der durch den elektrischen Strom geheizte Wolframdraht einer Glühlampe ist die wohl verbreitetste technische Anwendung dieses physikalischen Phänomens.

Die Wärmestrahlung wurde ebenfalls im 19. Jahrhundert ausgiebig untersucht und man stellte eben fest, dass die Wärmestrahlung eines Körpers unter bestimmten Bedingungen nur von dessen Temperatur abhängt und nicht vom Material ("Schwarzkörper-Strahlung").

Die Wärmestrahlung (bei Festkörpern und Flüssigkeiten) entpuppte sich als ein Gemisch elektromagnetischer Wellen mit einer ganz bestimmten, von der Temperatur abhängigen, " kontinuierlichen spektralen Verteilung". Diese spektrale Verteilung wurde experimentell untersucht, und nun galt es, die empirisch gefundenen Gesetzmäßigkeiten auch theoretisch zu begründen.

Bekannt also waren die Gesetzmäßigkeiten sowohl der Themo- als auch der Elektrodynamik. Und es schien klar, dass sich eine Theorie der Wärmestrahlung irgendwie in eben diese Bild einzufügen hatte. Wärmestrahlung hatte etwas mit elektromagnetischen Wellen zu tun. Und Wellen sind sich im Raum ausbreitende Schwingungen in Gestalt sich periodisch verändernden elektrischen und magnetischen Feldkomponenten. Auch die Wärme als schon ziemlich gut erforschte Energieform gab recht wenig Rätsel auf.Um so verwunderlicher erschien es, dass es den Physikern bis Ende des 19. Jahrhunderts nicht gelang, die richtige "Strahlungsformel" zu finden.

Irgend etwas stimmte nicht.

Erst Max Planck (deutscher Physiker, 1858-1947) gab im Dezember 1900 die korrekte Strahlungsformel bekannt.

Wellen nun haben etwas - ich formulierte es schon - mit Schwingungen zu tun. Und Schwingungen sind, bevor sie sich als Wellen frei im Raum ausbreiten können, an schwingungsfähige Gebilde, "Resonatoren" genannt, gebunden.
Das Problem: Die Konsequenz der Planckschen Strahlungsformel war, dass die Energie dieser "elektromagnetischen Resonatoren" nicht beliebige Werte annehmen konnte, sondern nur das ganzzahlige Vielfache eines bestimmten, der Frequenz der Schwingungen proportionalen, "Quantums".

Die Resonanz auf dermaßen "unmögliche" Hypothesen hielt sich zunächst wohl in Grenzen. Vielleicht hatte man auch in Physikerkreisen die ganze Tragweite der Planck schen Entdeckung noch nicht so recht begriffen.
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Nun kannte man ja zu allem Überfluß auch beispielsweise noch den lichtelektrischen Effekt, der ebenfalls ein "frequenzabhängiges Phänomen" beinhaltete. Im Rahmen der klassischen Elektrodynamik war dies völlig unverständlich. Einstein veröffentlichte 1905 in den Annalen der Physik einen Aufsatz, der sich u.a. auch mit diesem Problem auseinandersetzte.


 

Einstein und die Lichtquanten

12.06.2000

Den Nobelpreis für Physik erhielt 1921 Albert Einstein, der allerdings erst ein Jahr später überreicht wurde. Die Relativitätstheorie wurde hierbei nicht ausdrücklich erwähnt. Den Nobelpreis erhielt Einstein "für seine Verdienste um die theoretische Physik und insbesondere für seine Entdeckung des Gesetzes für den photoelektrischen Effekt".

Hatten sich der Beitrag Quanten und Elektrodynamik mit der Problematik des elektromagnetischen Feldes andeutungsweise auseinandergesetzt, so befasste sich der Text Quanten und Wärme mit dem Phänomen Wärme. Beide, so ist bekannt, stehen in einer Beziehung zueinander. Die Entdeckung der richtigen "Strahlungsformel" ist für immer mit dem Namen Max Planck verbunden. Erst fünf Jahre später beschäftigte sich ein anderer Physiker - Albert Einstein - ebenfalls mit dieser Problematik, allerdings andere Schwerpunkte setzend.

1905 veröffentlichte Einstein drei Aufsätze in den Annalen der Physik. Der erste dieser Beiträge hieß (Ann. Phys. 17 (1905) 132): "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt". Hier ein kleiner Ausschnitt daraus:

Die mit kontinuierlichen Raumfunktionen operierende Undulationstheorie [Wellentheorie] des Lichtes hat sich zur Darstellung der rein optischen Phänomene vortrefflich bewährt und wird wohl nie durch eine andere Theorie ersetzt werden. Es ist jedoch im Auge zu behalten, dass sich die optischen Beobachtungen auf zeitliche Mittelwerte, nicht aber auf Momentanwerte beziehen, und es ist trotz der vollständigen Bestätigung der Theorie der Beugung, Reflexion, Dispersion etc. durch das Experiment wohl denkbar, dass die mit kontinuierlichen Raumfunktionen operierende Theorie des Lichtes zu Widersprüchen mit der Erfahrung führt, wenn man sie auf die Lichterzeugung und Lichtverwandlung anwendet. Es erscheint mir nun in der Tat, dass die Beobachtungen über die "Schwarze Strahlung", Photoluminiszenz, die Erzeugung von Kathodenstrahlen durch ultraviolettes Licht [photoelektrischer Effekt] und andere die Erzeugung bzw. Verwandlung Lichtes betreffende Erscheinungsgruppen besser verständlich erscheinen unter der Annahme, dass die Energie des Lichtes diskontinuierlich verteilt sei. Nach der hier ins Auge zu fassenden Annahme ist bei Ausbreitung eines von einem Punkte ausgehenden Lichtstrahles die Energie nicht kontinuierlich auf größer und größer werdende Räume verteilt, sondern es besteht dieselbe aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können.

Im Klartext: Nehmen wir die elektromagnetischen im allgemeinen und die optischen Erscheinungen im besonderen als Audruck "kontinuierlicher Raumfunktionen" von irgendwelchen physikalischen Größen, so geraten wir in einen unauflöslichen Widerspruch zur Erfahrung, wenn wir den Erfahrungsbereich ausdehnen auf Phänomene, die sich mit "andere(n) die Erzeugung bzw. Verwandlung Lichtes betreffende(n)" Effekten auseinandersetzen.

Die Maxwellsche Theorie beschreibt eindeutig ein Kontinuum! Und eine Reihe von Erscheinungen sind mit dieser Kontinuums-Theorie und nur mit dieser - beschreibbar, jedenfalls all jene Erscheinungen, die irgendwie sich auf "Wellen" beziehen. Somit hatte sich Einstein zu der Aussage durchgerungen, dass diese Kontinuums-Theorie " wohl nie durch eine andere Theorie ersetzt werden" wird.
Andererseits verweist Einstein auf Effekte, die nun absolut nicht in das Bild dieser "Undulationstheorie des Lichtes" einzuordnen sind.

Einerseits das Festhalten an einer bewährten Theorie - und andererseits das sich Beschäftigen mit Phänomenen, die voll im Widerspruch zu dieser Theorie stehen. Diese Widersprüche sind bis heute nicht gelöst worden. Aber man hat mathematische Formalismen entwickelt, mit deren Hilfe die quantitative Beschreibung bestimmter Zusammenhänge möglich ist. Und die logischen Widersprüche werden abgetan mit dem Hinweis auf die Unanschaulichkeit der Quantenphysik.

Weitere Informationen dazu sind hier nachzulesen (DPG-Beiträge):

 

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