Physik einmal ganz anders
E-Book, Deutsch, 332 Seiten
ISBN: 978-3-347-28279-7
Verlag: tredition
Format: EPUB
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)
Während dieser Gespräche kommt es zu allerlei lustiger Anekdoten, die vornehmlich Willis Handschrift tragen. Dabei hat Wilma die Rolle der cleveren und mitdenkenden Zuhörerin, während Willi sich als virtuoser Pfiffikus entpuppt, der von seinen unkonventionellen Eingebungen oft selbst überrascht wird.
Mit diesem Buch begibt man sich auf eine amüsante Reise quer durch die Physik. Man staunt gemeinsam mit Wilma und Willi über überraschende Phänomene und lernt, dass genau die unsere Welt am Laufen halten. Und durch die kunterbunten Dialoge kommen Spaß und Unterhaltung nicht zu kurz! Es ist daher ein Buch für Laien und Nicht-Laien, die dieses pfiffige Rendezvous mit der Physik einfach einmal wagen sollten.
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2. Die mikroskopische Welt ist anders Vom Doppelspaltexperiment, der HEISENBERG'schen Unschärferelation, der SCHRÖDINGER-Gleichung, SCHRÖDINGERs Katze und der Quanten verschränkung. »Huhu, es geht wieder los«, rief Elfie, »ich habe mich schon mal an den Tisch gesetzt!« Elfie ist wieder zu Besuch bei ihren Freunden Wilma und Willi. Sie waren gemeinsam Essen, sind gerade wieder zu Hause angekommen, und nun soll es weitergehen mit ein paar erstaunlichen Begebenheiten, über die Elfie berichten möchte, und zwar – frei nach DOUGLAS ADAMS – über das Leben, das Universum und den ganzen Rest. »Ich bin gleich so weit«, rief Wilma, »ich ziehe mir nur noch ein anderes Sweatshirt an.« »Und ich bin schon da«, sagte Willi, der gerade zur Küche hereinkam. Elfie hatte es sich zwischenzeitlich schon auf ihrem Lieblingsplatz am Küchentisch bequem gemacht. »Soll ich wieder den leckeren Wein holen, also den vom letzten Mal?« »Ich bin dafür«, rief Wilma, die gerade auf dem Weg vom Flur in die Küche war. »Ja, der Wein war super«, bekräftigte Elfie. »Sehr gut, das ist auch meine Meinung«, sagte Willi, und im Handumdrehen standen drei Weingläser, eine Flasche Wasser und der Wein auf dem Tisch. »So« begann Elfie, die auch gleich voll einstieg, »als wir uns das letzte Mal trafen, da haben wir uns über das eigenartige Verhalten von Licht unterhalten. Mal verhielt es sich so, als sei es eine Welle, und ein andermal hatte es Teilchencharakter. Übrigens wird in der Physik anstatt "Teilchen" auch oft der Begriff "Korpuskel" verwendet.« »Liebe Elfie«, unterbrach Willi, »du weißt aber schon, dass ihr Physiker ein Problem habt, oder?« »Ein Problem?«, fragte Elfie etwas verunsichert zurück. »Wieso? Welches denn?« »Ganz einfach«, begann Willi, »also der Typ, der sich bei euch die Bezeichnungen einfallen lässt, der hat doch sicherlich schon ganz blaue Schenkel.« »Wieso das denn?«, erwiderte Elfie leicht belustigt. »Ich glaube, der schmeißt immer so ein komplettes Scrabble in einen Buchstaben-Häcksler, und wenn dann so etwas wie "PLANCK'sches Wirkungsquantum" herauskommt, dann haut der sich ordentlich auf die Schenkel.« Wilma und Elfie mussten kichern. »Und wenn ich jetzt "Korpuskel" höre«, fuhr Willi fort, »dann denke ich doch eher an: "Ich glaub', ich muss zum Arzt – ja, wieso das denn – ich glaub ich habe 'nen Korpuskel".« Wenn Wilma und Elfie noch kurz zuvor um ihre Fassung rangen, dann war der Kampf nun endgültig verloren. Beide wieherten los, als wäre es der erste Witz ihre Lebens, den sie zu verdauen hatten. Dabei kreisten ihre Gedanken stets um die Frage, wie wohl ein Korpuskel aussehen mag, welches einen Arztbesuch unvermeidlich werden lässt. »Da hast du wohl recht«, versuchte Elfie sich wieder zu beruhigen, »die Begriffe sind teilweise etwas gewöhnungsbedürftig. Sie haben ihren Ursprung häufig im Lateinischen, was das Ganze aber auch nicht besser macht. Wie dem auch sei«, fuhr sie schließlich fort, »ich lasse den Korpuskel von jetzt ab lieber mal außen vor. Also, wo waren wir … richtig, beim Welle-Teilchen-Dualismus. Dieser wird uns nämlich noch öfter begegnen und am eindrucksvollsten bei unserem heutigen Thema: Dem Doppelspaltexperiment.« 2.1. Das Doppelspaltexperiment: Die Kopenhagener Deutung »Beginnen werden wir aber erst einmal mit etwas sehr Anschaulichem und Vertrautem, dem Wasser, oder besser, den Wasserwellen. Wasserwellen haben eine sehr interessante Eigenschaft. Ich zeichne euch … oh, Willi, würdest du netterweise wieder ein paar leere Zettel und einen Stift holen, das wäre super«, und mit einem Grinsen fügte Elfie hinzu, »und am besten natürlich auch gleich die gelbe Mappe.« Sofort sprang Willi auf und hatte im Handumdrehen alles auf den Tisch gelegt. »Das nächste Mal denke ich gleich daran, ich weiß ja, dass wir das alles brauchen.« »Ich arbeite für mich alleine auch so«, fuhr Elfie fort. »Wenn ich über etwas nachdenken muss, dann habe ich stets Zettel und Stift parat. Für mich ist das ein "Denkzettel", der hilft mir beim Denken! So, kommen wir also zu den Wasserwellen. Wenn ich eine Wasseroberfläche mit etwas berühre, dann entstehen auf der vormals glatten Wasseroberfläche Wellen. Habe ich zum Beispiel mit einem Finger das Wasser berührt, dann entstehen um diese Stelle herum kreisrunde Wellen, die sich konzentrisch ausbreiten.« »Ist die Form der Wellen abhängig von der Form des Gegenstandes, der das Wasser berührt?«, fragte Wilma interessiert. »Ein klares Jein«, antwortet Elfie. »Wieso Jein, Elfie«, bemerkte Willi, »selbst, wenn ich einen Backstein ins Wasser werfe, dann entstehen doch immer noch runde und keine eckigen Wellen.« »Das ist richtig«, entgegnete Elfie, »aber, wenn ich zum Beispiel eine Art Lineal, also einen länglichen Gegenstand mit der langen Seite das Wasser berühren lasse, dann entsteht eine ebene Welle oder auch lineare Wellenfront, die sich dann in einer Linie über die Wasseroberfläche bewegt. Spannend ist es nun, wenn solch eine lineare Wellenfront auf eine Wand zuläuft, in der zwei Spaltöffnungen eingelassen sind. Genau das habe ich hier in Bild 2.1 skizziert.« »Kaum hat die lineare Wellenfront die beiden Spalte erreicht, erscheinen dahinter …«, Elfie hielt kurz inne, um sich der Aufmerksamkeit ihrer Zuhörer zu versichern, »… Kreiswellen! Diese physikalische Eigenschaft wird als "Beugung" bezeichnet und ist charakteristisch für das Verhalten von Wellen. Übrigens würden sich auch dann Kreiswellen ausbilden, wenn die ankommende Welle keine lineare Welle ist. Im Fall der linearen Welle kann man aber ausschließen, dass für die Entstehung der Kreiswellen schon irgendetwas Kreisförmiges existiert haben muss. So, wir merken uns dieses Verhalten der Wasserwellen, denn wir verlassen jetzt das feuchte Element und kommen zurück zum Licht. Führt man den Doppelspaltversuch mit Laserlicht durch, also mit Licht einer Wellenlänge, dann ergibt sich das in Bild 2.2 gezeigte Ergebnis.« Gewohnt schnell zeichnete Elfie alles auf. »Wie man sieht, habe ich nach dem Doppelspalt auch hier Kreiswellen gezeichnet. Genau genommen sind es jetzt 3D-Kreiswellen, also Kugelwellen, was aber für unsere Überlegungen unbedeutend ist. Ich habe dem Licht also das gleiche Verhalten zugeordnet, wie wir es beim Wasser kennengelernt haben. Das ist zwar richtig, aber wieso darf ich das? Wieso kann ich einfach behaupten, dass sich nach dem Doppelspalt Kugelwellen bilden, denn im Gegensatz zu den gut sichtbaren Kreiswellen beim Wasser kann ich die Lichtwellen ja nicht sehen!« »Also zumindest verstehe ich schon einmal deine Frage, Elfie«, warf Willi ein, »Lichtwellen kann man nicht sehen. Sonst würden wir ja überall um uns herum Wellen sehen. Wenn man Lichtwellen aber nicht sehen kann, dann ist tatsächlich die Frage: Woher weißt du, dass sich nach dem Doppelspalt diese Licht-Kugelwellen gebildet haben?« »Das Vielstreifenmuster ist das Entscheidende, welches sich auf dem Schirm hinter dem Doppelspalt bildet«, kam sofort Elfies Antwort. »Die abwechselnd hellen und dunklen Bereiche, die dort zu sehen sind, entstehen nämlich, wenn Licht-Kugelwellen sich überlagern.« »Moment«, unterbrach Wilma, »dass ging mir jetzt ein bisschen schnell. Warum entsteht auf dem Schirm dieses Vielstreifenmuster?« »Ok«, erklärte Elfie, »dann machen wir jetzt einen kurzen Ausflug in den Bereich der Wellenoptik. Keine Angst, wenn sich jetzt nicht gleich ein Aha-Effekt einstellt, wir müssen diesen Teil nicht bis in die Tiefe verstehen, am Ende reicht uns das Ergebnis. Trotzdem möchte ich Wilmas Frage nicht unbeantwortet lassen. Dieses Vielstreifenbild auf dem Schirm ist charakteristisch für unseren Doppelspalt. Hätte ich nur einen, drei oder mehr Spalte verwendet, dann würde sich zwar ein etwas anderes Bild ergeben, das Prinzip hinter all den Vielstreifenmustern ist aber das gleiche: In unserem Versuch haben die Wellen nicht nur die gleiche Wellenlänge, sondern auch eine gleichhohe Amplitude, denn der Laser leuchtet mit konstanter Helligkeit. Zur Erinnerung an die Begriffe Wellenlänge und Amplitude lege ich euch das Bild 1.1 hier auf den Tisch. Wir starten jetzt gedanklich mit dem oberen Spalt in Bild 2.2. Nach dem Spalt bildet sich eine Kugelwelle aus, die sich weiter in Richtung Schirm bewegt. Das gleiche passiert auch bei dem unteren Spalt. Irgendwann werden sich die beiden Kugelwellen treffen. Der Physiker sagt, es...
