Welle-Teilchen-Dualismus
Um 1900 wurden Experimente gemacht, bei denen eine geladene Metallplatte mit ultraviolettem Licht bestrahlt wurde, welche sich daraufhin (langsam) entlud. Folglich musste das Licht Elektronen aus dem Material herausschlagen können und dadurch das Licht einen Impuls besitzen. Diese Eigenschaft war bis dato aber nur mit massebehafteten Teilchen verbunden, denn die die Eigenschaft beschreibende Impulsformel lautet p = m*v. Albert Einstein war der Erste, der diesen Effekt – genannt photoelektrischer Effekt – richtig erklären konnte, wofür er auch 1921 den Nobelpreis erhielt (Einstein hat keinen Nobelpreis für die Relativitätstheorie erhalten!). Obwohl schon bekannt war, dass Licht eine Welle ist, postulierte Einstein, dass Licht zugleich auch ein Teilchen sein müsse, welches einen Impuls hat. Dieses Lichtteilchen wird heute Photon genannt. Der photoelektrische Effekt kann also nicht durch den Wellencharakter des Lichts erklärt werden.
Dieser scheinbare Widerspruch ist als Welle-Teilchen-Dualismus bekannt. Je nachdem, welchen Versuch man durchführt, hat Licht einmal Welleneigenschaften und ein anderes Mal Teilcheneigenschaften. Misst man z. B. beim Doppelspalt-Experiment, durch welche der beiden Spalten das Lichtteilchen wirklich durchgeht, so verschwinden sofort alle Interferenzmuster und man erhält das gleiche Bild, als ob man Tennisbälle für den Versuch verwendet hätte. Das Licht verhält sich wie ein klassisches Teilchen (Photon). Hört man auf, den Durchtritt durch den Spalt zu beobachten, stellt sich wieder das Interferenzmuster ein - das Licht verhält sich wieder wie eine Welle.
Aber nicht nur Licht (Photonen) unterliegt dem Welle-Teilchen-Dualismus, sondern auch Elektronen und Protonen. Später konnte man nachweisen, dass überhaupt allen Teilchen eine Wellenlänge zugeordnet werden kann und sie dem Welle-Teilchen-Effekt unterliegen – so auch der Tennisball. Allerdings gilt, je schwerer (eigentlich energiereicher) das Teilchen ist, desto kürzer ist die Wellenlänge. Da der Tennisball sehr viel schwerer als ein einzelnes Elektron ist, hat er eine unvorstellbar kurze Wellenlänge. De Broglie prägte den Begriff der Materiewelle. So wie man jeder Materie eine Welle zuordnen kann, so kann man auch jeder Welle Teilcheneigenschaften wie einen Impuls zuordnen:
p=\frac{h}{\lambda}
(mit dem Planckschen Wirkungsquantum h = 6.6 * 10-34 Js und der Wellenlänge λ). Ebenso könnte man theoretisch dem Menschen eine Wellenlänge zuordnen. Der Ort, an dem man sich befindet, ist damit nicht vollkommen exakt bestimmt. Allerdings gibt es kein Messgerät, das den Ort sehr viel genauer als auf einen Bruchteil eines Atomkerndurchmessers bestimmen könnte und es macht in der Realität auch überhaupt keinen Unterschied. Damit bleibt diese Zuordnung ein bloßes Gedankenexperiment, welches bis heute keinerlei praktische Anwendung hat.
Photonen, Elektronen, Protonen, ... sind Welle und Teilchen zugleich. Man könnte auch sagen, sie sind weder das eine noch das andere, sondern "Quantenobjekte". Je nach Experiment können sie sowohl Welleneigenschaften wie Wellenlänge, Frequenz, Interferenz und Beugung, als auch Teilcheneigenschaften wie Masse, Impuls und elastischen Stoß besitzen.
