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ScienceSource.info / Artikel / Physik

Quantenmechanische Aussagen über das Licht

Ein wichtiger Unterschied zwischen klassischer und quantenmechanischer Naturbeschreibung ist die Unschärfe. Die klassische Physik geht davon aus, dass die in der Natur ablaufenden Vorgänge den Charakter des »faktischen« haben, so besitzt z.B. in der klassischen Physik jedes Teilchen einen genau definierten Ort und Impuls, zu jedem Zeitpunkt, nun wird es aber oft gar nicht möglich sein, all die Größen zu messen (z.B. die momentane elektrische Feldstärke in einem Strahlungsfeld), ganz abgesehen davon, das man die Messungen ja so wieso nur auf eine endliche Anzahl von Stellen an Genauigkeit ausführen kann. In der klassischen Physik führt es so auch zu keinen Wiedersprüchen, wenn man annimmt, das alle Größen wohldefiniert sind, nur man diese unter Umständen nicht genau, oder auch gar nicht kennt. In der klassischen Physik können wir also Unschärfe immer mit Unkenntnis gleich setzten, in der Quantenphysik allerdings nicht mehr, es muss zum »Faktischen« noch das »Mögliche« hinzugefügt werden, hier kommt daher eine spezifisch quantenmechanische Unbestimmtheit hinzu. Sie ist tief in den Grundlagen der Quantenmechanik verwurzelt, in den Heisenbergschen Unschärferelationen für Ort und Impuls eines Teilchens.
Doch worin besteht nun das Wesen dieser quantenmechanischen Unschärfe? Präzise sagen kann man eigentlich nur, was sie nicht ist, nämlich eine bloße Unkenntnis, doch was ist sie dann? Die Quantenmechanik begnügt sich mit einer mathematisch präzisen Fassung, sie gibt allerdings keinerlei Hinweise darauf, was wir uns konkret darunter vorstellen dürfen.
Eine kleine Verdeutlichung, wir vereinfachen sie ein wenig, in dem wir nur annehmen, das es zwei atomare Niveaus gibt, 1 und 2 mit der Energie E1 und E2. Die Quantenmechanik behauptet nun, es wäre falsch, die in Rede stehende Unbestimmtheit so zu interpretieren, als befände sich ein bestimmter Prozentsatz der Atome im oberen Niveau und der Rest im unteren. Satt dessen hat man sich vorzustellen, dass es keinen Unterschied im physikalischen Zustand der einzelnen Atome gibt, in quantenmechanischer Sprechweise befinden sie sich in »reinem Zustand«. Mathematisch drückt sich dies so aus, dass das Ensemble aller Atome durch eine Wellenfunktion in Gestalt einer Superposition
Ψ = α(t) Ψ1 + β(t) Ψ2      (1.1)
Beschrieben wird, wobei Ψ1 und Ψ2 die zu den Niveaus 1 bzw. 2 gehörigen Eigenfunktionen, und α, β sind komplexe Zahlen, die der Normierungsbedingung |α|2 + |β|2 = 1 genügen, sind.
Um Gl. (1.1) in Alltagssprache zu übersetzten, müsste man sagen, die Atome befinden sich gleichzeitig in beiden Bedingungen.
Diese spezifische quantenmechanische Unschärfe der Energie ist andererseits die Vorbedingung dafür, dass wir Atomen ein kohärent schwingendes elektrisches Dipolmoment (im Sinne des quantenmechanischen Erwartungswertes) zuschreiben dürfen. Das Dipolmoment steht nämlich in einer Art von Komplementaritätsverhältnis zur Energie, es verschwindet, wenn sich das Atom in einem Zustand scharfer Energie befindet. Die einzelnen Dipolelemente ? in praxi, nämlich im Laser, werden sie durch an ihrem Ort herrschende, jeweilige elektrische Feldstärke induziert ? addieren sich zu einer mit der Frequenz des Strahlungsfeldes oszillierenden makroskopischen Polarisationen, die eine große Rolle als Quelle der Laserstrahlen spielt.
Es macht physikalisch sehr wohl einen Unterschied, ob man es mit Atomen zu tun hat, die sich in einem reinen zustand befinden, die beschrieben wird, durch die Wellenfunktion in Gl. (1.1), oder mit einem statischem Gemisch von Atomen. Der erste Fall ist in einem Lasermedium realisiert. Während der zweite Fall den Verhältnissen in einer konventionellen (thermischen) Lichtquelle entspricht, und der Unterschied der beiden Physikalischen Situationen kommt deutlich in den Eigenschaften der jeweils ausgesandten Photonen zum Ausdruck.
Sind wie Einstein, Podolsky und Rosen formulierten, ist deswegen die quantenmechanische Beschreibung unvollständig?
Es besteht leider keine Hoffnung, dass die spezifisch quantenmechanische Unschärfe durch eine Weiterentwicklung der Theorie, und sei sie noch so raffiniert, »aus der Welt geschafft« werden kann, wie Bell bewies, sie zeigt vielmehr einen qualitativ neuen Aspekt der Wirklichkeit auf.
Version 3.2      © 2001-2008 Harald Wolfsgruber