Am 25. November jährt sich zum 100. Mal die Präsentation der Doktorarbeit von Louis de Broglie, die ihm für „seine Entdeckung der Wellennatur von Elektronen“ den Nobelpreis einbrachte. Diese Arbeit hat die Physik nachhaltig beeinflusst und stellt einen der wegweisenden Beiträge zur Quantenphysik dar.
Eine wichtige Weiterentwicklung dieser Arbeit führte zum sogenannten „Pilotwellen“-Modell, das eine Alternative zur Standardformulierung der Quantenmechanik darstellt und dessen Einfluss bis heute anhält … das Louis de Broglie jedoch schnell ablehnte. Aus welchen Gründen?
Schwierigkeiten bei der Interpretation der Quantenmechanik
Die Theorie der Quantenmechanik beschreibt das Verhalten von Materie auf kleinen Skalen, beispielsweise das von Atomen oder Elektronen. Seine Entdeckung stammt aus dem Anfang des 20. Jahrhunderts.e Jahrhundert, aber viele Fragen sind auch heute noch umstritten. Diese Situation ist zu einem großen Teil auf die verwirrenden Merkmale der Theorie zurückzuführen.
Beispielsweise scheinen sich Quantenobjekte manchmal wie Teilchen, manchmal wie Wellen zu verhalten. Die Kopenhagener Interpretation, entwickelt zu Beginn des 20. Jahrhundertse Jahrhundert kommt zu dem Schluss, dass die Quantenwelt nicht nach klassischen Konzepten analysiert werden kann. Diese Interpretation der Quantenmechanik stieß auf erhebliche Einwände, und ein ganzer Teil der Forschungsgemeinschaft (einschließlich Albert Einstein) suchte weiterhin nach einer kausalen und mechanischen Darstellung der Quantenwelt.
Louis de Broglie, ein französischer Physiker, teilte diesen Ehrgeiz und stellte 1927 seine „Pilotwellentheorie“ vor. Nach diesem Modell besteht Materie aus Teilchen, deren Bewegung von einer „Quantenwelle“ gesteuert wird. Diese Theorie würde somit die Gründe für das Wellenverhalten von Teilchen erklären.
Einige Jahre nach dieser Entdeckung gab er seine Theorie jedoch auf. Warum dieser Sinneswandel von Louis de Broglie selbst und welche Auswirkungen hatte seine Arbeit auf den Rest der wissenschaftlichen Gemeinschaft?
Die Fremdartigkeit bleibt bestehen
Die Ursachen für die Abkehr von der Pilotwellentheorie sind vielfältig. Zwei Merkmale des Modells machten es jedoch besonders verdächtig. Einerseits legt es nahe, dass die Bewegung eines Teilchens von der eines anderen abhängen kann, auch wenn deren Abstand nach Einsteins Relativitätstheorie jede Wechselwirkung verhindern sollte.
Andererseits hat die Pilotwelle keine klare physikalische Bedeutung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wellen wie Meereswellen oder elektromagnetischen Wellen handelt es sich nicht um eine Welle, die sich in unserem dreidimensionalen physischen Raum entwickelt. Vielmehr handelt es sich um eine Welle, die sich in einem abstrakten mathematischen Raum mit vielen Dimensionen entfaltet, was ihre Interpretation erschwert.
Diese Aspekte seiner Pilotenwelle beunruhigten Louis de Broglie sehr, der seine Theorie in seinen späteren Schriften ausdrücklich aufgab. Sein tieferes Ziel war es, einen etwas anderen Ansatz zu entwickeln, der als „Doppellösungstheorie“ bezeichnet wird.
Dieses alternative Modell hätte den Vorteil gehabt, viel intuitiver und leichter verständlich zu sein. Ihr Hauptziel wäre eine weniger abstrakte Welle gewesen, die sich innerhalb des unserer Wahrnehmung vertrauten Raums entfalten würde.
Allerdings war die mathematische Komplexität dieses Ansatzes beträchtlich. Louis de Broglie arbeitete bis zu seinem Lebensende daran, obwohl das Projekt bei seinen Physikkollegen nur wenig Anklang fand. Tatsächlich ist es die Pilotwellentheorie, die trotz ihrer von de Broglie hervorgehobenen Mängel die Aufmerksamkeit der überwiegenden Mehrheit der Forscher auf sich gezogen hat und dazu geführt hat, dass ihr Forschungsprogramm zur Doppeltheorie allmählich vergessen wird.
Wiederentdeckung der Theorie
Trotz allem hat die Arbeit von Louis de Broglie die wissenschaftliche Gemeinschaft tiefgreifend beeinflusst.
So entdeckte der amerikanische Physiker David Bohm, der wichtige Beiträge zur Quantenphysik leistete, 1952 unabhängig die Pilotwellentheorie wieder. Anstatt das Modell wegen seiner Fremdartigkeit abzulehnen, bestand die Herausforderung darin, ihm einen Sinn zu geben. Fragen zum Inhalt und zur genauen Bedeutung der Theorie werden bis heute diskutiert.
Andererseits wurde Louis de Broglies Theorie der Doppellösung nicht völlig aufgegeben. Einige zeitgenössische Physiker arbeiten noch immer an seiner Formulierung. Es könnte sein, dass dieser Ansatz uns eines Tages dabei helfen könnte, unsere Welt im Kleinen besser zu verstehen und dabei weniger Auswirkungen auf unsere klassischen Intuitionen zu haben.
Dieser Artikel profitierte von Gesprächen mit Aurélien Drezet vom Néel-Institut in Grenoble, dem der Autor danken möchte.
