Allgemeine Relativitätstheorie  
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Comptoneffekt  


Die Clustertheorie

Allgemeine Vorbemerkung


In der modernen Aomphysik nehmen wir an, dass Teilchen unterhalb einer gewissen Größe anderen als den klassischen Gesetzen gehorchen. Dabei nehmen wir in Kauf, dass ihr Verhalten mitunter unserem 'Gesunden Menschenverstand' widerspricht, bzw. der Anschaulichkeit entbehrt. Wo die Grenze zwischen Mikrophysik und klassischer Pysik zu ziehen ist, ist unklar. Zumal ich in meinem Artikel über die
Photonen die Existenz der Photonen als reale Teilchen in Zweifel gezogen habe, um zu verhindern, dass sie das Prinzip der Eindeutigkeit des Weltgeschehens verletzen, vertrete ich aus demselben Grund auch hier, wo die Elektronen sowohl Teilchen wie Wellen sein sollen, die Meinung, dass wir etwas vorschnell die klassische Physik als nicht zuständig für die Behandlung von Problemen der Mikrowelt betrachten.

Dabei sollten wir aber folgendes beachten: Wenn wir uns experimentell um einzelne Teilchen der Mikrowelt kümmern, sind wir zu Maßnahmen gezwungen, bei denen große Anzahlen weiterer Atome, Moleküle oder Elementarteilchen mit ins Spiel gebracht werden, die zudem oft miteinander wechselwirken können und die bei entsprechenden Berechnungen berücksichtigt werden müssten. Aber selbst wenn wir wollten, könnten wir das Verhalten solcher Teilchen-Gesamtheiten mit dem Instrumentarium unser modernen Rechenmaschiuen rechnerisch nicht beherrschen, weil eine solche Aufgabe immer noch viel zu komplex wäre. Anstelle sauberer Berechnungen aller beteiligter Teilchen können wir höchstens statistische Aussagen machen.

Das bedeutet:

(1) Wir können das isolierte Verhalten von klassischen Teilchen der Mikrowelt zwar berechnen aber das Teilchen in seiner Isolation nicht messen, denn dazu würden wir sehr viele Hilfsteilchen benötigen.
(2) Wir können das Verhalten der kleinsten Teilchen zwar in Gegenwart vieler anderer Teilchen messen, aber solche Zwangs-Gemeinschaften nicht sauber klassisch berechnen.

Tatsächlich wissen wir also nicht, wie gut oder wie schlecht die Mikrowelt von der klassischen Physik beschrieben wird.


Trotzdem nehmen wir aber heutzutage - eben vielleicht etwas vorschnell - an , dass eine klassische Berechnung von mikroskopischen Verhältnissen prinzipiell keine befriedigende Übereinstimmung mit den Messergebnissen liefern kann. Eher betrachtet man schon die klassische Physik als Spezialfall der Quantentheorie, obwohl diese usprünglich nur für die Behandlung von Problemen aus der Mikrowelt entwickelt worden war. Die Bemühung, Teilchen, die sich in einer vielfältigen, komplizierten Umgebung befinden, in den Rechnungen durch isolierte "Kunst-Teilchen" zu ersetzen, führten erst dann zu einer befriedigenden Übereinstimmung zwischen Messung und Berechnung, als wir diese Representanten der komplizierten Problematik mit unklassischen, unanschaulichen Eigenschaften versahen - d.h. als wir die Quantenmechanik benutzen konnten. Während der vergangenen 100 Jahren waren die damit erzielten Ergebnisse dann so gut, dass wir es heute als geradezu absurd empfinden, die wellenhafte Beschaffenheit eines "quantenmechanischen Elektrons" anzuzweifeln. Aber, obwohl das so ist, und weil wir andererseits klassische Berechnungen für komplizierte Teilchengemeinschaften der Mikrowelt nie werden sauber ausführen können, bleibt die interessante Frage noch offen, ob eine Berechnung der Natur nach klassischen Regeln nicht vielleicht doch immer richtige Ergebnisse liefern würde, wenn wir sie denn technisch ausführen könnten; ob also die Quantentheorie nur ein genialer Notbehelf ist - oder ob es tatsächlich neben der Welt unseres Alltags eine weitere, eine Welt des Mikrokosmos gibt.


Die Grenzen der klassischen gegenüber der Quanten-Welt


Ohne rechnen zu müssen, kann man bereits unter Übereinstimmung mit den Bemerkungen unter (1) und (2) die interessante Aussage darüber treffen, wo man klassisch - also ohne zuhilfenahme der Quantentheorie - rechnen darf:

Entscheidend ist dafür nicht die Größe der Teilchen, sondern die Frage, ob man in der Lage ist, alle für das gewünschte Ergebnis relevanten Einflussgrößen in einer klassischen Rechnung berücksichtigen zu können.


Einige Beispiele sprechen für diese Aussage:

So sind Strahlen wechselwirkungsfreier - also quasi isolierter - Teilchen klassisch mit Erolg berechenbar.

Man kann das Verhalten von Teilchen klassisch berechnen, wenn diese nur einigen wenigen zugleich aber dabei so starken Kräften ausgesetzt sind, dass man diesen gegenüber die übrigen Einflusskräfte vernachlässigen darf. Das ist z.B. der Fall bei
hochenergetischen Elektronenstrahlen.

oder bei Teilchen in der Nebelkammer

Allgemeine Bemerkungen über unser Denken

Wir erleben eune erdrückend vielfältige und in Bewegung befindliche Welt, in der wir uns nur dann zurecht finden können, wenn es uns gelingt, in ihr Erscheinungen zu finden, die einen bleibenden Charakter haben. So können wir mit einer einzelnen Wolke erst dann gedanklich etwas anfangen, wenn wir sie einem gewissen Wolkentyp zuordnen können, wobei es dieser Typ ist, der einen bleibenden Charakter hat. Z.B. interessiert uns ein Atom auch erst dann, wenn irgendetwas an ihm stationär, also bleibend ist, oder ein Lebewesen erst dann, wenn es einem bestimmten Typ zugeordnet werden kann. Wenn etwas zwar aus irgendeinem Grunde wichtig ist, sich aber einem bekannten Typ nicht zuordnen lässt, machen wir es zu einem neuen Prototypen. Ob sich die Welt tatsächlich stets in bleibende Erscheinungen aufteilen lässt, ist eine Frage, die wir nicht beantworten können, jedenfalls können wir nicht anders denken. Aber die Natur unterstützt unser Suchen nach bleibenden Erscheinungen kräftig, indem die Aufenthaltswahrscheinlichkeit einer bleibenden Erscheinung gegenüber derjenigen eines sich ändernden Konkurrenten um soviel größer ist, dass sowohl der Eindruck entsteht, es gäbe nur bleibende Erscheinungen, als auch, dass extrem unwahrscheinliche Strukturen eine große Daseinschance erhalten.

So befinden sich die Atome zumeist in ihren stationären Zuständen, in denen sie also keine Wellen abstrahlen und sich nur ganz kurz in in einer Phase befinden, in der ein Wechsel ihres staionären Zustandes erfolgt. Warum ein Atom in seiner stationären Phase nicht abstrahlt, wurde von Nils Bohr vor etwa 100 Jahren nicht näher erklärt. In meinem Aufsatz zu dem Thema
E=h*Nue beschreibe ich die Rolle, die der Elektronenspin bei der Wechselwirkung zwischen einem bewegten Elektron und dem elektromagnetischen Feld spielt. Dabei ergibt sich, dass ein Elektron nur strahlen kann, wenn sich sein Spin in "spin-up-Stellung" befindet, was einem bleibenden Verhalten der Elektronen schon sehr nahe kommt. Allerdings erklärt sich damit noch nicht, warum es nur diskrete Radien der bewegten Elektronen in den Atomen gibt. Ebensowenig reicht diese Erkenntis zur Erklärung der Bohrschen Regeln, nach denen die Drehimpulse der kreisförmigen Elektronenbahnen in Atomen nur ganzzahlige Vielfache des Planckschen Wirkungsquerschnittes sein dürfen.

Dies kann man jedoch dann verstehen, wenn man die Wechselwirkung der Elektronen mehrerer Atome zu Hife nimmt. Damit meine ich, dass sich Elektronen der Atome auf Kreisbahnen mit gleicher Frequenz gegenseitig Lichtqanten zuspielen und empfangen, wobei sie "cluster" bilden, die in der Lage sind, sich energetisch nach außen abzuschotten. Entsprechendes gilt auch für die Moleküle mit dem Unterschied, dass sich die Elektronen bei ihnen nicht auf Kreisbahnen bewegen. Jedes Elektron gehört damit in jedem Augenblick eindeutig einem cluster an, und zu einem cluster gehören in jedem Augenblick mehrere Elektronen verschiedener Atome. Ein cluster verliert ein Quant, wenn eines seiner Elektronen ein Quant ersatzlos emittiert, was bedeutet, dass dessen Spin in der spin_down-Stellung verbleibt. Da der Kreisbahn eines Elektrons immer nur ganzahlige Plancksche Wirkungsquanten zugeführt oder entnommen werden, lässt sich der Bahndrehimpuls eines Elektrons in einem Atom darstellen durch eine variable ganzzahlige Anzahl Planckscher Wirkungsquanten plus einem für dieses Elektron festen Bruchteil eines Planckschen Wirkungsquantums

Dabei sollte ich noch darauf hinweisen, dass ein Quant von einem Elektron nur in Form eines Wellenpaketes absorbiert wird, das eine bestimmte Frequenz hat und sich aus den Anteilen mehrerer Emissionen anderer Elektronen zusammensetzt, wie ich das in meinem Kapitel über die
Photonen näher beschrieben habe. Allein schon für die Bildung absorptionsfähiger Quanten sind daher bereits mehrere abstrahlende Elektronen erforderlich, die zu einem Cluster gehören.

D.h. dass das Bohrsche Atommodell bereits die richtige Beschreibung der Atome und Moleküle liefert und dass die Quantentheorie mit ihren wellenförmigen Elektronen nicht gebraucht wird, um die überwiegende Strahlungslosigkeit der Atome und Moleküle zu beschreiben. Neu ist nur die Erkenntnis, dass die Elektronen und damit auch die Atome und die Moleküle durch ihre gemeinsame Teilnahme an Clustern miteinander verbunden sind, welche sich räumlich über größere Abstände erstrecken können. Diese Abhängigkeit könnte die Begründung für gewisse Korrelationen zwischen weit auseinander liegenden Atomen liefern, aber auch das merkwürdige Verhalten von Elektronenstrahlen in dem sogenannten Zwei-Spalt-Experiment (s.u.)erklären. Mit dieser Erklärung ließe sich auch leicht überprüfen, ob das Cluster-Modell tatsächlich in der Natur verwirklicht ist oder ob sich die Elektronen in der Mikrowelt doch als Wellen und nicht als klassische Teilchen presentieren,

Das modifizierte Zweiloch-Experiment
,

Vermutlich sind die Gebiete, über die sich ein Cluster erstreckt, groß genug, um sich in der Materie eines Spalt-Schirms eines "Zwei-Spalten-Experimentes" über mehrere Spalten hinweg auszudehnen. Das bedeutet, dass z.B. die energetische Beschaffenheit eines solchen Clusters, der mehrere Löcher überspannt, von der Existenz dieser Löcher abhängt. Durchdringt ein Elektron eines Elektronenstrahls einen Spalt des Spalt-Schirms und damit zugleich die Cluster in der Spalt-Materie, werden sein Impuls und seine Energie in einer für diese Cluster charakteristischen Weise verändert. Diese Veränderung hängt dann auch von dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines zweiten Spaltes ab. Beim Durchfliegen eines solchen Clusters "erfährt" das Elektron also auf diese Weise von der Existenz des anderen Spaltes und muss darauf reagieren, ohne selbst durch den zweiten Spalt geflogen zu sein, oder sich geteilt zu haben.

Das Zwei-Spalt -Experiment müsste jedoch anders ausfallen, wenn das Verschließen eines der beiden Spalten nicht in der Materie des Spalt-Schirms sondern entweder vor ihr oder hinter ihr stattfindet, und zwar so weit vom Schirm entfernt, dass die im Spaltschirm befindlichen Cluster von diesem Verschließen "keine Kenntnis" erlangen können. Dann würden die durch den offen gebliebenen Spalt geflogenen Elektronen nach dem "Verschluss" des zweiten Spaltes darauf reagieren, ob das Verschließen des zweiten Spaltes in der Materie oder außerhalb der Materie des Spaltschirms stattfand, und man würde entsprechend unterschiedliche Beugungsbilder auf dem Auffangschirm erhalten.

Im quantenmechanischem Wellenbild dürfte es dagegen keine Rolle spielen, ob der zweite Spalt im Zwei-Spalt-Schirm oder außerhalb desselben abgeblockt worden ist, und man müsste unabhängig davon, wo der zweite Spalt verchlossen wurde, stets dasselbe Beugungsbild auf dem Auffangschirm erhalten.

Das Einschalten eines "Spion-Detektors" im zweiten Spalt, mit dem man erfahren will, durch welchen Spalt ein Elektron geflogen ist, schmälert zwar kaum die Durchlässigkeit dieses Spaltes . Da aber durch den entstehenden Stromstoß einer Detektion fremde Frequenzen in die Cluster eingebracht werden, werden bei jeder Detektion eines Elektrons, das durch den Spalt mit dem Detektor geflogen ist, vorübergehend wichtige Cluster "zerschnitten" und damit auch die Information vorüergehend gelöscht, dass beide Spalte offen sind, D.h. das detektierte Elektron "weiß" dann von dem anderen offenen Spalt nichts und kann mit diesem nicht "interferrieren". Ebenso würden bei starken Elektronenstrahlen auch jene Elektronen, die durch den nicht detektierenden Spalt fliegen, nichts von der Existenz des anderen Spalt erfahren.

Bei sehr schwachen Elektronenstrahlen mit einem merklichen Zeitabstand zwischen dem Start der Elektronen im Strahl, würden sich allerdings jene Elektronen, die den detektorfreien Spalt passieren, so benehmen, als gäbe es im anderen Spalt den Detektor nicht, während die wenigen detektierten Elektronen sich so benehmen, als gäbe es den nichtdetektierten Spalt nicht

Die Wellen-Theorie der Elektronen behauptet dagegen, dass jede Information über den Weg eines jeden Elektrons, das den Auffangchirm erreicht (die bei einer Detektion ja vorliegen würden) genügt, um jegliches Interferieren auszuschließen. D.h. beide Theorien sagen für starke Elektronenstrahlen und einem detektierten Spalt dasselbe voraus, müssten sich aber für den Fall sehr schwacher Elektronenstrahlen voneinander unterscheiden.

Wenn die Clustertheorie stimmt, sind es nicht die Elektronen, die sich in einem Elektronenstrahl als Wellen bewegen, sondern es sind die Cluster der Materie, die die Elektronen als Teilchen beim Durchfliegen der Spalte in einer Weise beeinflussen, sodass diese dann den Eindruck erwecken, es handle sich bei ihnen um Materiewellen.


Fazit


Die hier von mir dargelegten Überlegungen hatten nicht zum Ziel, eine bessere als die bestehende Quantentheorie zu entwickeln, sie sollten vielmehr zunächst nur eine Theorie skizzieren, die - im Gegensatz zum Dualismus der Welle-Teilchen-Theorie der Materiewellen das Prinzip der Eindeutigkeit des Weltgeschehens nicht mehr verletzt.

Zudem sollte sie allerdings deutlich machen, dass das mathematisch unmöglich sauber zu erfassende klassische Verhalten einer riesigen Anzahl von Atomen oder Molekülen und deren Elektronen irgendeiner Materie zu Erscheinungsformen führen kann, die sich wenigstens statistisch klassisch erfassen lassen.

Bei der Entwicklung der Quantentheorie hatte man sich damals einfach nicht an die Behandlung von Atomgemeinschaften heranngewagt und versuchte stattdessen mit großem Erfolg das Verhalten des einzelnen Atoms oder Moleküls zu verstehen. Schwer zu akzeptierende Eigenheiten dieser Quantentheorie - wie etwa der Wellencharakter der Elektonen oder die merkwürdigen Korrelationen zwischen entfernten Atomen aber auch schon die schwer verständliche Gleichung
E=h*Nue - können aber bei gleichzeitiger Würdigung der großen Bedeutung des Elektronenspins mit statistischen klassischen Theorien wie z.B. mit der Cluster-Theorie eine plausible klassische Deutung finden. Weiterhin wäre das modifizierte Zwei-Spalten-Experiment geeignet, die Clustertheorie zu bestätigen oder zu widerlegen. - Besonders interessant erscheint mir aber bereits die Vermutung, dass die Abgrenzung zwischen der Welt des Mikrokosmos und der "normalen" Welt nichts mit der Größe der Objekte sondern nur mit der Zahl der relevanten Parameter zu tun haben muss. Die gewaltigen Erfolge der Quantentheorie für sich allein sollten also noch keinen hinreichenden Grund dafür bieten, an der Allgemeingültigkeit der klassischen Physik zweifeln zu müssen