Kleine Teilchen mit großen Folgen

Ende des 19. Jahrhunderts meinten viele Wissenschaftler, die komplette Physik verstanden zu haben. Die klassische Mechanik und der Elektromagnetismus waren von Isaac Newton und James Clerk Maxwell gut beschrieben worden, und es schien, als wären ihre Gleichungen vollkommen. Doch dann entdeckte Wilhelm Hallwachs einen Effekt, der die Physik revolutionierte. Rabea Pons schreibt über den Welle-Teilchen-Dualismus und wie er die Menschheit noch heute zum Grübeln bringt.

Das Experiment

Im Jahr 1887 führte der Wissenschaftler Wilhelm Hallwachs einen Versuch durch, mit dem er die Eigenschaften von Licht untersuchte. Zunächst schloss er eine Metallplatte an eine Spannungsquelle an, um sie negativ aufzuladen. Anschließend richtete er eine Lichtquelle auf die Metallplatte. An seinen Messgeräten konnte er beobachten, dass die Metallplatte durch das einfallende Licht an elektrischer Ladung verlor. Die negative Ladung musste sich also von der Platte gelöst haben.

Grafische Darstellung eines Versuchsaufbaus. Unten links befindet sich eine Lichtquelle von der mehrere bunte Linien nach rechts ausgehen. Hinter einem schmalen Balken verlaufen nur noch drei blaue Linien weiter, über eine Linse werden sie auf einen Punkt kollimiert. Die Linien treffen auf eine rote Ellipse von der aus kleine, mit einem Minus beschriftete Kreise ausgehen und sich nach links in Richtung einer grünen Ellipse. Zwischen roter und grüner Ellipse ist ein Schaltkreis gezeichnet in dem sich eine Spannungsquelle und ein Amperemeter eingebaut sind.
Gegenfeldmethode

Bestrahlte Hallwachs die Platte mit mehreren Lampen, also einer höheren Lichtintensität, entlud sich die Metallplatte sogar schneller. Als nächstes wollte der Physiker wissen, was passiert, wenn er nicht mehr Licht, sondern anderes Licht verwendet. Dazu nahm er eine Lampe, die Licht einer höheren Frequenz und somit höherer Energie aussendete. Er erwartete wieder eine schnellere Entladung, allerdings stellte er fest, dass sich die Metallplatte mit derselben Geschwindigkeit entlud wie bei Bestrahlung mit der ersten Lampe.

Hallwachs und andere zeitgenössische Physiker waren mit der Deutung dieser Versuchsergebnisse überfragt. Warum entlud sich die Metallplatte schneller, wenn man mehr Lampen auf sie richtete, nicht aber, wenn man sie mit einer Lichtquelle höherer Energie bestrahlte?

Ein großes Rätsel

Ende des neunzehnten Jahrhunderts nahm man an, dass Licht aus elektromagnetischen Wellen besteht und ausschließlich Welleneigenschaften besitzt. Auch heute verwendet man das Wellenbild von Licht, wenn man beispielsweise die Beugungs- und Interferenzbilder von Licht hinter einem Spalt erklärt.

Grüne Lichtstreifen auf schwarzem Hintergrund verlaufen von oben nach unten. Dabei ist der mittige am hellsten und zu beiden Seiten, links und rechts, werden die Lichtstreifen dunkler. In der Mitte des Bildes verläuft ein Zahlenstrahl von links nach rechts.
Lichtbeugung

Der Hallwachs-Versuch aber ließ sich nicht mit der damaligen Vorstellung von Lichtwellen beschreiben. Denn danach würde man annehmen, dass die Lichtwellen die Platte langsam erhitzten. Die negativen Ladungsträger – seit 1897 wissen wir, dass dies kleine Teilchen, Elektronen, sind – würden mit der Zeit stetig mehr Energie erhalten und sich immer freier bewegen, bis sie sich letztendlich aus der Platte lösen könnten. 

Hallwachs’ Beobachtungen stimmten aber nicht mit dieser Theorie überein: Die Entladung der Metallplatte setzte sofort nach Bestrahlungsbeginn ein und die Platte wurde auch nicht wärmer. Dazu kam, dass man anhand des Wellenmodells nicht erklären konnte, warum sich die Metallplatte bei einer höheren Lichtintensität (mehr Lampen) schneller entlud, nicht aber bei Bestrahlung einer Lichtquelle höherer Frequenz (mehr Energie). War das Lichtwellenmodell etwa falsch?

Einstein hilft aus

Fotografie. Albert Einstein trägt ein schwarzes Sakko mit weißem Hemd, dunkler Weste und dunkler Krawatte. Er steht vor einer Schiefertafel, auf die ein weißer Kreidekreis gemalt ist. Einstein guckt nicht direkt in die Kamera sondern schräg links vorne aus dem Bild heraus. Er hat krauses helles Haar und einen dunklen Schnauzbart.
Albert Einstein

1905 kam ein Physiker auf einen Gedanken, wie er das Experiment von Hallwachs erklären könnte. Dieser Physiker war Albert Einstein. Er entwickelte zur Erklärung des Hallwachs-Versuchs die sogenannte Lichtquantenhypothese. Danach kommt Licht in der Natur in kleinen Energiepaketen, den Lichtquanten, vor. Die Energiemenge, die ein Lichtquant enthält ist dabei von der Frequenz des Lichts abhängig.

Einstein erklärte die beobachteten Phänomene somit folgendermaßen: Treffen die Lichtquanten auf die Metallplatte, überträgt jedes einzelne Quant seine Energie auf genau ein Elektron. Mehrere Lampen bedeuten also mehr Lichtquanten und führen dazu, dass sich mehr Elektronen auf ein Mal von der Metallplatte lösen. Die Entladung der Platte läuft somit schneller ab. Bestrahlt man aber die Metallplatte mit einer Lichtquelle dessen Lichtquanten mehr Energie enthalten, führt dies zwar dazu, dass die einzelnen Elektronen jeweils mehr Energie aufnehmen, nicht aber dass sich mehr Elektronen von der Platte lösen. Jedes Elektron kann immer nur Energie von genau einem Lichtquant aufnehmen. Der Hallwachs-Effekt wird auch äußerer photoelektrischer Effekt genannt und für seine Deutung bekam Einstein 1922 den Nobelpreis für Physik.

Quantenphysik und Philosophie

Mit Einsteins Interpretation stand man unmittelbar vor einem Widerspruch. In allen bisherigen Expe­rimenten zeigte das Licht Welleneigenschaften auf, nur beim Hallwachs-Versuch schien es aus Quanten oder kleinen Teilchen zu bestehen. Auf einmal war Licht eine Welle und ein Strom aus Teilchen zugleich. Diese doppelte Natur bezeichnen Physiker als den Welle-Teilchen-Dualismus. Viele Wissenschaftler hatten damals Probleme, ihn zu akzeptieren. Wie konnte es sein, dass etwas sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften aufwies, je nachdem welches Experiment man durchführte? Es schien fast so, als könnte der Mensch den Zustand von Licht durch seine Beobachtungen festlegen.

Jeweils zwei Reihen von zwei Aufnahmen einer Fotoplatte nebeneinander, insgesamt vier Aufnahmen, mit a bis d beschriftet. Aufnahme a ist hauptsächlich schwarz mit nur 7 kleinen hellen Punkten. Aufnahme b hat bereits mehr Punkte, jedoch sehen diese noch relativ ungeordnet aus. Aufnahme c zeigt sehr viele kleine helle Punkte auf aber erst auf Aufnahme d, die noch mehr Punkte aufzeigt, zeigt ein Interferenzmuster: helle und dunkle Streifen wechseln sich von links nach rechts ab.
Welle-Teilchen-Dualismus

Die Deutung des Hallwachs-Versuchs Anfang des 20. Jahrhunderts war der Beginn der Quantenphysik. Sie ist für viele Menschen heute noch schwer nachvollziehbar, da wir keine Anschauung der Quanteneffekte aus dem Alltag kennen. Quanteneffekte treten nur bei mikroskopisch kleinen Dimensionen auf, etwa bei ganz kleinen Teilchen oder extrem kurzen Zeitabständen. Deshalb bekommen wir in unserer makroskopischen Welt im Alltag davon nichts mit. Und das obwohl viele unserer heutigen Alltagsgeräte ohne nutzbar gemachte Quanteneffekte nicht funktionieren würden, zum Beispiel ein Smartphone mit Flash-Speicher (Tunneleffekt) und Bildsensor (photoelektrischer Effekt).

Eine grundlegende Aussage der Quantenphysik ist, dass Ereignisse nicht eindeutig vorhersagbar sind, wir können lediglich Wahrscheinlichkeitsaussagen treffen. Doch was bedeutet das, wenn die Dinge zufällig geschehen, wenn man ein Ereignis nur bis zu einer gewissen Wahrscheinlichkeit voraussagen, aber nie hundertprozentig sicher sein kann, was passieren wird? Hier grenzt die Physik an die Philosophie. Auch Einstein schien Probleme mit diesem Gedanken zu haben und äußerte die Bemerkung: „Gott würfelt nicht“. Damit meinte er, dass er nicht an den Zufall in der Physik glaubte. Doch genau dies geschieht, wenn sich Licht mal als Welle und mal als Teilchen preisgibt.

Die moderne Physik verlangt uns viel abstraktes Vorstellungsvermögen ab, und wer weiß, welch große, neue Herausforderungen auf uns warten. Komplett verstehen werden wir Menschen die Physik wohl nie.