Unsere Welt zu verstehen:  Elementarteilchen Materiewellen

 

 
Das wahre Wesen aller Elementarteilchen

— hmsgnr04z

 
 
Letztlich ist jedes Elementarteilchen einfach nur Energieportion in Form einer Potentialwelle (das Potential, das sich da wellenartig auf- und abbaut ist Kraftpotential im Sinne der 4 Grundkräfte der Natur: Elektromagnetische Kraft, Gravitationskraft, starke oder schwache Kernkraft).
 
Jede dieser Wellen breitet sich als Kugelwelle im Raum mit Lichtgeschwindigkeit aus und wird nur verformt, wo sie auf Hindernisse trifft (das ist ganz analog zu Wasserwellen: auch die verformen sich, wo sie auf Hindernisse treffen, etwa auf im Wasser stehende Pfosten).
 
Wo man den Eindruck hat, ein einzelnes Elementarteilchen beobachtet zu haben, war das nur eine Stelle, an der es sich (als Energieportion) mit anderen vereinigt hat, und die so entstandene Summe von Energie sich meist sofort erneut in eine Menge von Elementarteilchen zerlegt hat.
 
An welchen Stellen in Raum und Zeit eine solche Interaktion (= spontane Umwandlung von Wirkungspotential in Wirkung) am ehesten wahrscheinlich ist, wird beschrieben durch eine dem Elementarteilchen zugeordnete Wahrscheinlichkeitswelle ψ (entdeckt 1925 durch Erwin Schrödinger und als überzeugendes Modell gut bestätigt durch inzwischen schon sehr viele Versuche der Quantenphysiker).
 
 
 
 
Materiewellen
 
Schon 1923 hatte Louis de Broglie in seiner Doktorarbeit die Meinung vertreten, dass nicht nur Elektronen, sondern grundsätzlich alle Materieteilchen sich verhalten wie stehende Wellen, die — wie die Schwingungen einer Gitarrensaite — nur mit jeweils ganz bestimmten, diskreten Frequenzen auftreten können. Diese Idee war so ungewöhnlich, dass die Prüfungskommision sich externen Rat holte. Auch Einstein wurde gefragt; er gab ein positives Urteil ab, und so wurde de Broglies Dissertation akzeptiert.
 
Und tatsächlich: Man hat inzwischen sogar bei Fullerenen (das sind aus je 60 Atomen bestehende Moleküle) solches Wellenverhalten beobachten können.
 
Warum sich ein so komplexes Gebilde aber tatsächlich als  W e l l e  statt als W e l l e n p a k e t   zeigt (dem ja dann ja keine Frequenz zuzuordnen wäre), erscheint zunächst unverständlich.

FRAGE 1 also: Kann mir jemand diesen Punkt erklären?
 
 
Mein Erklärungsversuch wäre:

Schickt man Photonen einzeln durch den Doppelspalt, so wird klar, dass die (selbst dann noch) beobachtete Interferenz darauf zurückzuführen sein muss, dass jede dieser Lichtwellen mit sich selbst interferiert. Sie kann das, da der Doppelspalt sie aufgeteilt hat in zwei sich überlappende Teile:

 

 

Quelle: http://kimheeley.edublogs.org
 
 
Nun besteht ein Fulleren aber aus  z a h l r e i c h e n  Elementarteilen (Elektronen, Nukleonen), die sich aber — wenn das Molekül durch den Doppelspalt gesandt wird — im Verbund bewegen, aber leicht zueinander verschoben (da sie im Molekül unterschiedlichen Schwerpunkt haben). Dies muss dazu führen, dass das Interferenzbild — da es ja als die Summe der Interferenzbilder für die einzelnen elementaren Teile des Moleküls ergibt — nicht mehr ganz scharf sein kann.

Meine Vorhersage also: Je größer der Durchmesser von durch den Doppelspalt geschickter NICHT elementarer Teilchen wird, desto unschärfer muss das Interferenzbild werden. Und genau das beobachtet man ja auch ...

 

Schickt man einzelne Photonen nacheinander statt zum Doppelspalt zu einem halbdurchlässigen Spiegel (einem Strahlteiler), so beobachtet man Analoges: Jedes Photon  s c h e i n t  genau einen der beiden Wege zu nehmen (weil es nur am Ende je eines der beiden Wege detektiert wird). Dennoch geht es — als Potentialwelle — beide Wege, denn es ergibt sich Interferenz (dies zeigen Experimente, die als erster Alan Aspect durchgeführt hat).

Auch hier also interferiert die Welle mit sich selbst, weil der Strahlteiler sie in sich überlappende Teile zerlegt. Sie lassen sich unterschiedlich polarisieren, und die Interferenz wird zunehmend schwächer, je größer der Winkel zwischen den beiden Polarisationsrichtungen wird: Wie auch beim Quantenradierer können senkrecht zueinander polarisierte Teile der Welle natürlich  n i c h t  interferieren.

 
So nebenbei stellen sich mir noch zwei weitere Fragen:

FRAGE 2: Könnte es sein, dass miteinander verschränkte Photonen einfach nur Teile einer einzigen (sich um Hindernisse herum ausbreitenden) Welle sind?

FRAGE 3: Wie kommt es, dass eine Materiewelle (z.B. als Elektron) Schwingung von etwas ist, dessen Länge konstant zu sein scheint?

 
Siehe auch: Beschreibung einiger Experimente