Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel

Teilchen und Wellen: Das wesentliche Rätsel der Quantenmechanik - Chad Orzel

Übersetzung: Johannes Duschner Lektorat: Angelika Lueckert Leon

One of the most amazing facts in physics is this:

Es ist in der Physik eine der erstaunlichsten Tatsachen:

everything in the universe, from light to electrons to atoms,

Alles im Universum vom Licht über Elektronen bis zu Atomen

behaves like both a particle and a wave at the same time.

verhält sich gleichzeitig wie ein Teilchen und wie eine Welle.

All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,

Das ganze andere komische Zeug,

das du vielleicht über Quantenphysik gehört hast,

Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,

Schrödingers Katze, Gott würfelt nicht und spukhafte Fernwirkung

all of it follows directly from the fact

folgt direkt aus der Tatsache,

that everything has both particle and wave nature.

dass alles eine Teilchen- und Wellennatur hat.

This might sound crazy.

Das klingt vielleicht verrückt.

If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,

Wenn man sich umsieht, erkennt man Wellen im Wasser und Felsenteilchen

and they're nothing alike.

und sie sind nicht vergleichbar.

So why would you think to combine them?

Wie kommt man dann darauf sie zu kombinieren?

Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.

Physiker haben nicht ohne Grund diese Dinge miteinander vermischt.

Rather, they were led to the dual nature of the universe

Vielmehr wurden sie zur dualen Natur des Universums

through a process of small steps,

durch einen Prozess der kleinen Schritte geführt,

fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.

der viele Beweisstücke wie bei einem Puzzle zusammenfügte.

The first person to seriously suggest the dual nature of light

Die erste Person,

die eine duale Natur des Lichts ernsthaft vorschlug,

was Albert Einstein in 1905,

war Albert Einstein im Jahr 1905,

but he was picking up an earlier idea from Max Planck.

aber er griff eine frühere Idee von Max Planck auf.

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

Planck erklärte die Farben des Lichts,

die heiße Objekte, wie der Glühfaden in der Glühbirne aussendet.

like the filament in a light bulb,

but to do it, he needed a desperate trick:

Aber dazu benötigte er einen extremen Trick:

he said the object was made up of oscillators

Er meinte, die Objekte würden aus Oszillatoren bestehen,

that could only emit light in discrete chunks,

die Licht nur in separaten Blöcken aussenden könnten,

units of energy that depend on the frequency of the light.

also in Energieeinheiten, die von der Lichtfrequenz abhingen.

Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.

Planck war damit nie wirklich glücklich,

aber Einstein griff es auf und arbeitete damit.

He applied Planck's idea to light itself, saying that light,

Er wendete Plancks Idee auf das Licht selbst an,

indem er meinte, das Licht, jedem als Welle geläufig,

which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,

sei tatsächlich ein Photonenstrom,

each with a discrete amount of energy.

mit einer jeweils eigenen Energiemenge.

Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,

Einstein nannte es selbst das einzig wahre Revolutionäre,

das er getan hätte,

but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.

aber es erklärt, wie Licht,

das auf metallische Oberflächen scheint, Elektronen herausschlägt.

Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.

Sogar Leute, die diese Idee ablehnten,

mussten zugeben, dass sie brillant funktioniert.

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

Das nächste Puzzle-Teil kam von Ernest Rutherford aus England.

In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,

Ernest Marsden und Hans Geiger, die für Rutherford arbeiteten,

shot alpha particles at gold atoms

schossen im Jahr 1909 Alpha-Teilchen auf Goldatome

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

und waren erstaunt herauszufinden, dass manche direkt zurückprallten.

This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.

Das zeigte: Die meiste Masse des Atoms findet sich in einem winzigen Atomkern.

Das gezeichnete Atom aus der Grundschule

The cartoon atom you learn in grade school,

with electrons orbiting like a miniature solar system,

mit Elektronen, die herumkreisen wie in einem Miniatur-Sonnensystem,

that's Rutherford's.

ist von Rutherford.

There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.

Es gibt nur ein kleines Problem mit Rutherfords Atommodell:

Es funktioniert nicht.

Classical physics tells us that an electron

Die klassische Physik sagt uns, dass ein Elektron,

whipping around in a circle emits light,

das im Kreis herumschnellt, Licht aussendet

and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.

und verwendet das, um Radiowellen oder Röntgenstrahlen zu erzeugen.

Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant

Rutherfords Atome sollten kurzzeitig

Röntgenstrahlen in alle Richtungen versprühen,

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

bevor das Elektron einer Spirale folgend in den Atomkern kracht.

Niels Bohr, ein dänischer theoretischer Physiker,

But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,

der mit Rutherford arbeitete,

pointed out that atoms obviously exist,

wies darauf hin, dass Atome offensichtlich existieren,

so maybe the rules of physics needed to change.

also vielleicht die Gesetze der Physik geändert werden müssten.

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

Bohr schlug vor, dass ein Elektron auf gewissen speziellen Umlaufbahnen

doesn't emit any light at all.

überhaupt kein Licht aussendet.

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

Atome verschlucken und senden Licht nur aus,

wenn Elektronen die Umlaufbahn wechseln,

and the frequency of the light depends on the energy difference

und die Lichtfrequenz hängt vom Energieunterschied ab,

in just the way Planck and Einstein introduced.

wie es Planck und Einstein einbrachten.

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

Bohrs Atom löst Rutherfords Problem

and explains why atoms emit only very specific colors of light.

und erklärt, warum Atome nur sehr bestimmte Lichtfarben aussenden.

Each element has its own special orbits,

Jedes Element hat seine eigenen speziellen Umlaufbahnen

and thus its own unique set of frequencies.

und somit seine eigene einzigartige Reihe an Frequenzen.

The Bohr model has one tiny problem:

Das Bohr-Modell hat nur ein winziges Problem:

there's no reason for those orbits to be special.

Es gibt keinen Grund für spezielle Umlaufbahnen.

But Louis de Broglie, a French PhD student,

Aber Louis de Broglie, ein französischer Doktorand,

brought everything full circle.

rundete alles ab.

He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,

Er wies darauf hin, dass wenn Licht, das jedem als Welle geläufig war,

behaves like a particle,

sich wie ein Teilchen verhält,

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

sich vielleicht das Elektron, das jedem als Teilchen geläufig war,

behaves like a wave.

wie eine Welle verhält.

And if electrons are waves,

Wenn Elektronen Wellen sind,

it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.

ist es einfach, Bohrs Regel zum Auffinden spezieller Umlaufbahnen zu erklären.

Once you have the idea that electrons behave like waves,

Sobald man sich vorstellt, dass Elektronen sich wie Wellen verhalten,

you can go look for it.

kann man nach ihnen suchen.

And within a few years, scientists in the US and UK

Innerhalb weniger Jahre beobachteten Wissenschaftler

in den USA und im Vereinigten Königreich

had observed wave behavior from electrons.

das wellenartige Verhalten von Elektronen.

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

Heute hat man dafür eine wunderbar klare Demonstrationsmöglichkeit:

shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.

Einzelne Elektronen auf Hindernisse mit Schlitzen zu schießen

Each electron is detected at a specific place at a specific time,

Jedes Elektron wird wie ein Teilchen

an einem bestimmten Ort zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasst.

like a particle.

Wiederholt man das Experiment viele Male

But when you repeat the experiment many times,

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

umreißen die einzelnen Elektronen ein Streifenmuster,

characteristic of wave behavior.

das kennzeichnend für Wellenverhalten ist.

The idea that particles behave like waves, and vice versa,

Die Vorstellung, dass Teilchen sich wie Wellen verhalten und umgekehrt,

is one of the strangest and most powerful in physics.

ist eine der seltsamsten und mächtigsten in der Physik.

Richard Feynman famously said

Der berühmte Ausspruch von Richard Feynman lautet,

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

dass dies das wesentliche Rätsel der Quantenmechanik sei.

Everything else follows from this,

Alles andere folgt daraus

like pieces of a puzzle falling into place.

wie Puzzle-Teile, die sich zusammenfügen.