Die Effekte der Quantenphysik treten in der Welt der kleinsten Teilchen auf, auf atomarem Niveau und darunter. Erst Anwendungen wie Laser, Elektronenmikroskopie oder Supraleitung machen quanten-mechanische Effekte in unserer Welt erfahrbar.

Es ist so, dass Messungen an sehr kleinen Teilchen, wie Molekülen oder noch kleineren Systemen oft Ergebnisse liefern, die der klassischen Physik widersprechen. Zum Beispiel ist es so, dass manche Größen keine beliebigen Werte mehr annehmen können, sondern nur Vielfache sogenannter „Quantenwerte“.

Quantenmechanik Prägend für die Quantenmechanik war der Physiker Erwin Schrödinger. Einfach ausgedrückt bedeuten seine Ansätze, dass die Physik abhängig ist zB von Ort und Zeit. So ist es zum Beispiel nicht irrelevant WER unter einem Apfelbaum sitzt wenn es um die Frage geht, ob ein Apfel hinunterfällt auf jene Person. Das mag auf uns vielleicht befremdlich wirken, in der Physik geht man aber seit über einem halben Jahrhundert davon aus.

Am bekanntesten ist er für sein Gedankenexperiment – „Schrödingers Katze“. Hierbei stellt man sich vor, dass sich ein instabiler Atomkern, eine Katze und Geigerzähler und eine Giftkapsel in einer verschlossenen Kiste befinden. Wenn der Atomkern zerfällt, wird Radioaktivität frei, die der Geigerzähler misst, woraufhin das tödliche Gift freigesetzt wird. Spannend wird dieses Experiment dadurch, dass man nicht sagen kann ob die Katze zu einem bestimmten Zeitpunkt noch lebt oder bereits tot ist. Nach der Quantentheorie befinden sich das Atom nämlich in einem Zustand der Überlagerung, also noch nicht zerfallen und bereits zerfallen. Demnach müsste sich auch die Katze, solange die Kiste ungeöffnet ist, in diesem Zustand befinden – gleichzeitig lebendig und tot.

 

Die Quantenphysik bringt mit ins Spiel…

  1. Die Heisenberg’sche Unschärferelation: Es ist unmöglich, Ort und Geschwindigkeit eines Teilchens gleichzeitig genau festzustellen. Statt Elektronenbahnen um Atome werden daher Orbitale gezeichnet, Aufenthaltsräume für Elektronen, in denen sie sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit befinden.
  2. Die Quantisierung: Einige physikalische Größen wie Energie oder elektrische Ladung können nur in Vielfachen eines kleinsten Einheitswertes auftreten.
  3. Das Ausschließungsverbot: Elementarteilchen mit denselben Quantenzahlen, die ihren Zustand beschreiben, können nicht zur selben Zeit am selben Ort sein. Das gilt aber nicht für alle Elementarteilchen, woraus sich wiederum herrliche Fragestellungen ergeben…
  4. Die Verschränkung: Zwei Elementarteilchen, die „verschränkt“ sind, sich aber an zwei verschiedenen Orten befinden, sind „geisterhaft verbunden“. Beobachtet man das eine, ist unmittelbar der Zustand des anderen festgelegt. Quantenteleportation, Quantenverschlüsselung und Quantencomputer werden damit möglich.
  5. Die schwierige Messung: Messen stört dermaßen, dass entweder quantenphysikalische Phänomene ganz verschwinden, oder die Messung das Gemessene so stark beeinflusst, dass es gravierend verändert wird.
  6. Den Welle-Teilchen-Dualismus: Nicht nur Licht ist eine Welle und ein Strom von Teilchen (Photonen) gleichermaßen, sondern auch Materie. Auch Elektronen, Protonen, und was auch immer sind Teilchen und Welle zugleich. Manche Experimente zeigen den Teilchencharakter, andere den Wellencharakter.

In der Quantenwelt können Sie durch die Wand gehen, ohne weiteres aus einem Glas fließen, oder sonst irgendwelche krummen Sachen machen. Aber geben Sie Acht: alles ist unvertraut, wir sind dort nicht zuhause!

Drei wichtige Versuche haben die Quantenphysik mitbegründet:

  1. Der photoelektrische Effekt: eine geladene Metallplatte kann durch das Bestrahlen mit Licht entladen werden. Es wird dabei Energie an die Elektronen übertragen, die dadurch die Platte verlassen können. Allerdings erst, wenn das Licht energiereich genug ist, bei UV-Licht. Man stellt sich vor, die ankommenden Lichtteilchen (Photonen) transportieren diese Energie.
  2. Die Probleme mit dem Schwarzen Strahler. Die abgegebene Energiemenge eines glühenden Objektes ist rechnerisch unendlich, was natürlich nicht sein kann. Erst mit der Quantisierung der Energie wurde das Problem lösbar.
  3. Der Doppelspaltversuch: Elektronen, die auf eine Wand mit zwei Löchern zufliegen, hinterlassen dahinter auf einem Schirm ein Muster, als ob sie sich als Welle benehmen. Sobald man feststellen will, durch welches Loch ein bestimmtes Elektron geflogen ist, benimmt es sich wie in der “klassischen Mechanik”, der Effekt verschwindet. Dieses seltsame Benehmen lies Erwin Schrödinger das Gedankenexperiment mit “Schrödinger’s Katze” formulieren.

Das Forschungsgebiet der Quantenphysik wird sehr schnell sehr kompliziert, je tiefer man eindringt. Wer das Gebiet beherrscht, kann viele Phänomene in mathematische Ausdrücke fassen. Wird jedoch versucht, diese Zusammenhänge in die Alltagssprache und damit in unsere alltägliche Welt zu versetzen, ist es schwierig, die sonderbaren Phänomene zu akzeptieren oder auch nur annähernd zu verstehen.

Junge Physiker haben die Quantenphysik entwickelt, Menschen, die sich wenig Sorgen um bestehende und etablierte Konzepte gemacht haben: Niels Bohr, Albert Einstein, Max Planck und andere.

Ein informatives Video zur Thematik (auf Englisch):
http://www.youtube.com/watch?v=7SjFJImg2Z8

Video-Link zu Alpha Centauri: Was ist die Unschärferelation?

Heisenbergs Unschärferelation ist eine Art “heiliger Gral” der Physik – und gleichzeitig äußerst merkwürdig und komplex. In ihr steckt die Erkenntnis, dass man die beobachtete Welt durch den Akt der Beobachtung verändert, sie also nie so erkennen kann, wie sie wirklich ist.

Video-Link zu Alpha Centauri: Ist Schrödingers Katze tot?

 

Immer noch interessiert?

Interview mit Anton Zeilinger, Wiener Quantenphysiker (Uni:View