Spezielle Relativitätstheorie und Welle-Teilchen-Dualismus

Spezielle Relativitätstheorie: Postulate

Ein grundlegendes Problem in der Physik am Ende des 19. Jahrhunderts war, dass die Gesetze des Elektromagnetismus durch eine Änderung des Referenzsystems unterschiedlich waren und damit das Prinzip der Relativität von Galileo verletzten, das die Grundlage der Newtonschen Mechanik war. Beobachter in relativer Bewegung würden unterschiedliche Ergebnisse bei der Untersuchung elektromagnetischer Phänomene erhalten. Im Jahr 1905 brachte Einstein zwei Theorien (Mechanik und Elektromagnetismus) durch seine spezielle Relativitätstheorie in Einklang, die auf zwei Postulaten basiert:

1. Prinzip der Relativität

Alle Gesetze der Physik haben die gleiche Form in den Inertialsystemen (d.h. für verschiedene Beobachter).

2. Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine universelle Konstante.

Einsteins Theorie führt zu einigen Schlussfolgerungen, die uns zwingen, die klassischen Vorstellungen von Raum, Zeit, Masse und Energie zu ändern:

• Raum und Zeit sind nicht absolut: Beobachter in verschiedenen Inertialsystemen messen unterschiedliche Zeitintervalle für das gleiche Ereignis und unterschiedliche Längen für das gleiche Objekt.
• Kein Körper kann sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bewegen.
• Masse und Energie sind äquivalent: Sie können nach der Gleichung E = mc² ineinander umgewandelt werden.

Photon-Konzept: Welle-Teilchen-Dualismus

Um bestimmte Phänomene der Emission und Absorption von Licht durch die Materie zu erklären, einschließlich des photoelektrischen Effekts, kehrte Einstein zur Teilchentheorie der Natur des Lichts zurück. Er ging davon aus, dass die Energie der elektromagnetischen Strahlung nicht kontinuierlich, sondern diskret ist, sodass eine elektromagnetische Welle mit Frequenz f als aus Quanten oder Teilchen bestehend angesehen werden kann, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Jedes dieser Teilchen hat eine Energie E = hf und einen Impuls p = h/f. Diese Teilchen werden Photonen genannt.

Einsteins Theorie hob die elektromagnetische Theorie des Lichts nicht auf. Die moderne Physik führte den Welle-Teilchen-Dualismus ein und erkannte an, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzt. Wenn Licht mit Materie interagiert, verhält es sich wie ein Strom von Teilchen (Photonen) mit Energie und Impuls. Wenn es sich ausbreitet oder Beugung und Interferenz erfährt, verhält sich das Licht wie eine Welle, die durch ihre Wellenlänge und Frequenz charakterisiert ist.

De Broglie schlug aus Symmetriegründen vor, dass Materie ebenfalls einen Welle-Teilchen-Dualismus aufweist, sodass jedem Teilchen eine Welle zugeordnet ist. Die zugehörige Wellenlänge ist auf makroskopischer Ebene sehr klein, sodass die Materiewelle nur auf mikroskopischer Ebene sichtbar wird.