Dezember 5, 2022

Schach und Quantenphysik (4) – Das Denk- und Spielmaterial: Quanten / Wellen

4. Kapitel

DAS DENK- UND SPIELMATERIAL: QUANTEN / WELLEN

„Alles worüber wir reden, alles, was wir für existent halten, setzt Bewusstsein voraus“ (Max Planck 1931)

Bevors richtig losgeht, erst noch das Spielmaterial vorstellen, was sind eigentlich Quanten?

Quanten

 „Quant (Quantum): Ein von Max Planck 1900 eingeführter Begriff zur Beschreibung unsichtbarer Energiepakete…“ (Kumar 2009, S. 463). Diese winzigen Elementarteilchen (Partikel / Korpuskeln) können sich auch wellenartig verhalten; in vielen Strahlen und Feldern sind sie ebenfalls vertreten.

Ein erster Vorstellungsversuch: Man kann Quanten als sehr winzige Kugeln, als „Substanz, beschränkt auf ein sehr kleines Volumen“ (Heisenberg 2014, S. 48) und/oder als Wellen d.h. „räumlich ausgebreitet und schwingend“ (Polkinghorne) denken oder sich visualisieren (wer’s kann).

Photonen

Zu den Quanten zählen Photonen, dies sind: „Teilchen oder Quanten des Lichtes und anderer elektromagnetischer Wellen, die als verantwortlich für die Übertragung elektromagnetischer Kräfte angesehen werden können“ (Davies & Brown 1993, S. 263). „Das Photon (ist) ein kleines Bündel elektromagnetischer Wellenenergie“ (Lindley 1997, S. 86).

Für künftige Schach-Quanten-Meister variantenreich zusammengefasst „Photon: Kleinstes Paket des elektromagnetischen Felds; Botenteilchen der elektromagnetischen Kraft; kleinstes Lichtpaket“ (Greene 2000, S. 487).

Ach wie gut, dass niemand weiß…

Quanten spielen mit ihrer Identität, besonders gern spielen sie Wellen. Je nach den Umständen, unter denen sie untersucht werden, imponieren sie auf andere Weise. „Die Tatsache, daß Elektronen, Photonen und andere Quantenteilchen sich manchmal wie Wellen und manchmal wie Teilchen verhalten, ruft oft die Frage hervor, was sie denn nun ‚wirklich‘ seien“ (Davies und Brown 1993, S. 22).

 

Welle oder Teilchen? Beides oder keines? Und alles dazwischen?

Quanten spielen normalerweise verrückt, besser gesagt, sie halten Beobachter zum Narren. Ihre fragwürdigen Existenzen stellen immer wieder neue Rätsel auf. Ihr Entdecker Max Planck bezeichnete deren theoretische Einführung als „Akt der Verzweiflung“.

Schon Jahrhunderte vorher hatte das Wesen des Lichts den Physikern viele Verständnisprobleme bereitet. Prof. Feynman fasst zusammen (1993, S. 158): „Beginnen wir mit der Geschichte des Lichts. Zunächst nahm man an, es verhalte sich ähnlich wie ein Schauer von Teilchen, von Korpuskeln, etwa wie Regen oder wie Kugeln, die aus einem Gewehr abgefeuert werden. Weitere Forschungen ergaben, daß diese Annahme nicht zutraf, daß sich das Licht vielmehr wie Wellen verhielt, beispielsweise wie Wasserwellen. Die Forschung des 20. Jahrhunderts wiederum gewann den Eindruck, daß sich Licht in vielerlei Hinsicht doch eher wie Teilchen verhielte. Ja, im Photoeffekt konnte man diese Teilchen, die Photonen, wie sie heute genannt werden, sogar zählen. Auch das Verhalten der Elektronen glich, als man sie entdeckte, exakt dem von Teilchen oder Kugeln. Weitere Forschungen jedoch, zum Beispiel die Experimente über die Beugung von Elektronen, zeigten, daß sie sich wie Wellen verhielten. Was Wunder, daß mit der Zeit die Verwirrung wuchs: Hatte man es nun mit Wellen oder mit Teilchen, mit Teilchen oder mit Wellen zu tun? Für die eine Annahme sprach soviel wie für die andere…“

Welle-Teilchen-Dualismus / Materiewellen / Doppelwesen


Man erkannte schließlich, dass diese Doppelnatur nicht nur Licht und Elektronen kennzeichnet. Auch andere Elementarteilchen und sogar ganze Atome verhalten sich manchmal wie Partikel und manchmal wie Wellen. Lassen wir dazu kompetente Kenner der Materie zu Wort kommen – nebenbei ein kleines Nobelpreisträgertreffen.

In seiner Dissertation schlug der Franzose de Broglie 1924 das Verknüpfungskonzept „Materiewellen“ vor, er vermutete „dass jegliche Materie – also wohlgemerkt selbst diejenen Objekte, die wir uns für gewöhnlich als Teilchen denken wie etwa Elektronen – auch wellenartiges Verhalten zeige“ (nach Hey & Walters 1990, S. 51). Damit erzeugte er zunächst Erstaunen, aber Einstein gefiel die Überlegung.

Kumar gibt diese feine Umschreibung: „Materiewelle: Wenn ein Teilchen sich verhält, als ob es Wellencharakter hätte, wird die dieses Teilchen darstellende Welle als Materiewelle oder De-Broglie-Welle bezeichnet“ (2009, S. 461). (1929 erhielt de Broglie den Nobelpreis für Physik. Gute Zusammenfassung zu Materiewellen in Greene 2000, S. 128-130 oder Hey & Walters 1990, S. 51-52.) Manche Autoren verwenden auch den Begriff „Quantenwellen“ (siehe Davies & Gribbin 1993, S. 191). 

Nobelpreisträger Weinberg erklärt: „Nach der Quantenmechanik sind Wellen und Teilchen nur zwei Aspekte einer und derselben zugrunde liegenden Wirklichkeit. Das mit einer Welle verbundene Teilchen ist deren Quant“ (1993, S. 171). Licht und andere elektromagnetische Wellen, z.B. Radiowellen, Mikrowellen, Röntgenstrahlung und sogar (feste) Materie sind beides, Wellen und Teilchen, zugleich. Je nachdem in welchem Kontext man sie untersucht, zeigen Materie und Strahlung Wellen- oder Teilchencharakter. Auch beim Schach gibt’s beides.

Demnächst wird’s griffiger.

Dr. Reinhard Munzert

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