QED – Richard Feynman (Teil III)

Licht ist eine komische Sache. Die Physiker haben herausgefunden, dass Licht Eigenschaften von Teilchen und von Wellen hat. Und ebenso haben Elektronen Eigenschaften, die sich mal am besten mit Teilchen oder mit Wellen beschreiben lassen. Es ist das Internationale Jahr des Lichts, da kann man sich mal mit so etwas beschäftigen. Und es ist ganz nett, dass anhand einer Person zu tun. Richard Feynman war ein begnadeter Physiker und hat wichtige Beiträge zur Beschreibung des Lichts gemacht, für die er 1965 den Nobelpreis erhielt. In Teil I ging es deshalb um sein Leben, in Teil II um seine Ansichten zu physikalischen Gesetzen und jetzt um sein Buch zur Quantenelektrodynamik (QED), die das Verhalten von Photonen und Elektronen beschreibt.

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QED – Richard Feynman

Wenn man Licht durch einen Doppelspalt schickt und später auf einem Schirm auffängt, dann erkennt man ein Muster, das sich wunderbar als Wellenverhalten beschreiben lässt. Eine ebene Lichtwelle trifft auf den Doppelspalt und teilt sich in zwei kugelförmige Elementarwellen. Diese Wellen beeinflussen sich dann gegenseitig. Wellenberge und -täler sind quasi die Intensität des Lichts. Dort, wo je ein Wellenberg jeder Welle aufeinander treffen, verstärkt sich die Intensität. Wo Wellenberg und Wellental aufeinander treffen, löschen sie sich aus. Die Leute von TheSimplePhysics haben das in einem Video ganz schön erklärt.

Das Verhalten von Lichtwellen am Doppelspalt (Lookang, CC BY-SA 3.0).

Licht hat aber auch etwas Diskretes, Teilchenhaftes an sich. Licht gibt es z. B. nur in definierten Energiepaketen, als Quanten. Diese Lichtquanten heißen Photonen. Irgendwo habe ich mal gelesen, dass „QED“ von Feynman die beste Beschreibung des Verhaltens von Licht sein soll, die es gibt (auch dieses Buch entstand wie bereits Vom Wesen physikalischer Gesetze aus einer Vorlesungsreihe). Also habe ich es mir mal angesehen. Um es vorwegzunehmen: Viel schlauer bin ich nicht geworden. Aber es ist auch nicht so, als wäre ich nicht gewarnt geworden: „Sie werden nichts begreifen.“

Meine Motivation war eigentlich die Wellenform des Lichts etwas besser zu verstehen. Licht als Teilchen, die irgendwo losfliegen, auf meine Netzhaut treffen und dort registriert werden, kann ich mir irgendwie besser vorstellen. Aber Wellen? Was ist denn ein Wellenberg und Wellental beim Licht? Wenn ich das Auftreffen eines jeden Wellenberges messen würde, was würde ich da detektieren? Da hatte ich aber keine Chance, weil Feynman rein aus der Perspektive der Teilchen schreibt, das Wort Wellenlänge taucht nicht mal auf.

Den größten Teil des Buches machen Pfeile aus. Pfeile, die mit ihrer Länge und ihrer Richtung das Verhalten von Photonen repräsentierten. Wenn man die Pfeile für verschiedene Möglichkeiten des Lichts richtig verrechnet, erhält man korrekte Vorhersagen über das Verhalten des Lichts. Dieser Teil des Buches hat mir wirklich gut gefallen. Abgesehen davon, dass ich zum ersten Mal Vektorrechungen verstanden habe, kann man so auch die schillernden Lichtphänomene eines Ölfilms und eines Pfauenschwanzes erklären oder warum eine Linse Licht fokussieren kann! Ganz begriffen habe ich es aber leider eben doch nicht. Wie man die Richtung der Pfeile ermittelt, erschien mir ziemlich willkürlich und warum das für Licht verschiedener Farben jeweils unterschiedlich funktioniert, wurde mir leider auch nicht klar. Schade drum…

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Es geht um allerhand Pfeile, mit denen man das Verhalten von Licht in Kristallen und Wasser korrekt vorhersagen kann.

Im Kapitel, in dem es um „Elektronen und ihre Wechselwirkungen“ und damit im Grunde die Quantenelektrodynamik geht, bin ich leider vollends ausgestiegen. Auch das ist unheimlich schade, beschreibt die Theorie doch die meisten uns vertrauten Phänomene, z. B. alles, was wir aus Biologie und Chemie kennen (für Gravitation und Prozesse in Atomkernen gilt sie allerdings nicht). Und all das schafft sie anscheinend mit wenigen simplen Vorgängen: Ein Elektron oder ein Photon bewegt sich und ein Elektron nimmt ein Photon auf oder gibt eines ab. Wie das aber alles funktioniert, habe ich einfach nicht verstanden. Allzu niedergeschlagen war ich jedoch nicht, da Feynman seine Zuhörer zu dieser Vorlesung bereits mit den Worten begrüßte:

Ich fürchte allerdings, daß diejenigen unter Ihnen, die heute abend neu dazugekommen sind, das, was ich Ihnen diesmal zu sagen habe, recht unverständlich finden werden. Natürlich werden auch jene unter Ihnen, die die beiden anderen Vorlesungen gehört haben, das folgende nicht begreifen, aber Sie wissen immerhin bereits, daß das ganz in Ordnung ist.“

Denn die Natur nötige uns, sie auf eine Art und Weise zu beschreiben, die sich unserem Verständnis vollständig entzieht. Offensichtlich verwirrt das Verhalten von Licht auch die Physiker. Bei Martin Bäker konnte ich lesen, dass es eine Konferenz-Serie zum Thema „Was sind Photonen“ gibt und die Antworten auf die Frage alles andere als eindeutig sind. Dort finden sich auch noch viel mehr Infos, wie man Photonen beschreiben kann (z. B. als Wellenpaket, das sich in einem quantenmechanisch überlagerten Zustand befindet)…

Vielleicht ist die Natur eben einfach so, wie sie ist. Unser Gehirn ist vermutlich so beschaffen, dass es mittelgroße Objekte, welche sich mit langsamer Geschwindigkeit bewegen, intuitiv verstehen kann. Bei derart kleinen Dingen wie Elektronen macht es vielleicht einfach keinen Sinn, ihr Verhalten verstehen zu wollen, und man beschreibt am besten einfach nur, was man messen kann. Basta. Und wer einen Einblick bekommen möchte, wie Physiker das Verhalten von Licht unter verschiedenen Bedingungen vorherhsagen können, für den ist „QED“ das Richtige!

PS. Nichtsdestotrotz ist man ja irgendwie neugierig, das alles vielleicht doch zu verstehen. Und da möchte ich schließlich noch auf die verständlichste (mir bekannte) Darstellungen der Quantenmechanik (und vieles andere!) hinweisen: Der Stoff, aus dem der Kosmos ist von Brian Greene! Für mich (als Nicht-Physiker) ein echtes Standardwerk, in dem so ziemlich alles zur Sprache kommt: Relativitätstheorie, Quantenmechanik, Kosmologie etc. Und netterweise auch noch die Geschichten hinter den Erkenntnissen mit den beteiligten Personen.

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Der Stoff, aus dem der Kosmos ist – Brian Greene

 

 

 

 

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4 Kommentare

  1. Oh, ich glaube, bei QED würde ich gnadenlos scheitern, so gern ich auch Feynman vom Gegenteil überzeugt hätte ;-)…. Aber ich halte mich dann doch lieber an Greene, sein Buch hat es immerhin schon in mein Regal geschafft!

    Kennst Du „Die Entdeckung des Lichts“ von Ralf Bönt? (Wenn ja, kannst Du es empfehlen?)

    Gefällt mir

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