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Quantenphysik für Dummies: Was sind Quanten?

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Was sind Quanten?

Schon diese Frage ist nicht ganz einfach zu beantworten -sofern man kein Quantenphysiker ist. Aber versuchen wir es mal. Ein Quant (Singular von „Quanten“) ist eine Art winzig kleines Energiepaket. Licht besteht beispielsweise, wie eigentlich alles andere auch, aus kleinsten Energie-Elementarteilchen. Im Falle des Lichts sind das Photonen. Jedes Photon, also Lichtteilchen ist ein kleines Energiepaket. Also ein Quant. Wenn man das Licht mit dem Ozean vergleicht, ist ein Photon ein einzelner Tropfen.

Ein Lichtstrahl kommt nicht als gleichmässiger Strom von Energie, sondern in vielen kleinen Paketen.

Es gibt verschiedene Arten von Quanten, je nachdem ob man beispielsweise von Licht (Photon), der Schwerkraft (Graviton) oder Magnetismus (Elektron) spricht. Eines aber haben alle Quanten per Definition gemeinsam: es sind kleinste Energiepakete oder auch Energieträger in ihrem jeweiligen Medium, die für Wechselwirkungen mit anderen Systemen, zum Beispiel die Übertragung von Energie, sorgen.

Um beim Licht zu bleiben: ein Lichtstrahl kommt nicht als gleichmässiger Strom von Energie, sondern in vielen kleinen Paketen. Eben Quanten, deren Größe von der Lichtwellenlänge abhängt: Je kleiner die Wellenlänge, desto größer die Energie eines Pakets. Und Quanten haben sehr seltsame Eigenschaften. Sie verhalten sich so, als würden sie sich um Naturgesetze nicht scheren. Und genau dieses Verhalten dieser kleinen, elementaren Energiepakete beschreibt die Quantenphysik -oder versucht es zumindest.

Quanten verhalten sich völlig absurd

Quanten haben einige besonders charakteristische Eigenschaften: das eine ist die sog. „Quantelung“. Das heisst, ein Quant kann zwar verschiedene Energieniveaus annehmen, aber nicht völlig beliebige, sondern nur fest bestimmte. Man kann sich das wie den Drehschalter am Ofen vorstellen, der sich nur in bestimmte, vorgeschriebene Positionen schalten lässt. Dazwischen geht nichts.

Aber eine wirklich abgefahrene Eigenschaft von Quanten ist: sie sind zugleich Teilchen, aber auch Welle! In der klassischen Physik ist das eigentlich nicht möglich und völlig absurd: entweder verhält sich hier etwas wie eine Welle, oder eben wie ein Teilchen:

  • Ein klassisches Teilchen kann zu einem Zeitpunkt nur an einem bestimmten Ort anwesend sein. Nur dort wirkt es, aber stets mit seiner gesamten Energie, Ladung, Impuls etc. Eine weitere Teilcheneigenschaft ist, das man sie zählen kann. Sie sind also „quantisiert“. Dieses Verhalten kann man im Alltag bei Billardkugeln beobachten. Die verhalten sich wie Teilchen. Teilchen sind sehr berechenbar. Im Modell der Newtonschen Mechanik kann man sichere Vorhersagen treffen, wo ein Teilchen zu jedem Zeitpunkt sein wird.
  • Klassische Wellen dagegen breiten sich periodisch (in Schwingungen) in Zeit und Raum aus. Sie schwächen oder verstärken sich durch Überlagerung. Treffen zum Beispiel zwei Wellenberge aufeinander, bildet sich ein doppelt so hoher Wellenberg. Ein Wellenberg und ein Wellental können sich gegenseitig auslöschen. Wellen können, im Gegensatz zu Teilchen, gleichzeitig an verschiedenen Stellen mit verschiedener Stärke einwirken. Das alles kann man gut auf einer Wasseroberfläche beobachten.

Beide Eigenschaften scheinen sich gegenseitig zu widersprechen. Dennoch können Quanten beides. Als wäre es das Normalste der Welt. Verschiedene Schlüsselexperimenten für verschiedene Quantenobjekte haben eindeutig belegt, dass bei Quanten beide Eigenschaften vorliegen. Es ist daher unmöglich, eine anschauliche, auf klassischer Physik beruhende Vorstellung zu entwickeln, die den Quanten gerecht wird. Deshalb entwickelte sich aus diesem Umstand die Quantenphysik bzw. Quantenmechanik.

Gut, das alles ist schon abgedreht genug, aber es wird noch seltsamer: Quanten sind „unscharf“. Was das bedeutet -auf der nächsten Seite.

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Neueste Kommentare

  1. Danke für deine Mühe! Wisse bloß, auch Frauen können sich dafür interessieren. Dazwischen kommt nämlich die Phrase "meine Herrren" … und ich kann mir vorstellen, dass auch Energie eine Masse besitzt. Bzw. ich finde nicht, dass sich die einzelnen Teilchen und Wellen widersprechen müssen. Was, wenn die einzelnen Teilchen jediglich die Welle aufbauen? So, wie die eizelnen Zellen den Körper? Alles Liebe, irena

  2. Mike-vom-Mars

    Danke dir für den Hinweis -habe das in "Damen und Herren" geändert, um doch mal politisch korrekt zu sein :)

    Ob Energie auch eine Masse besitzt: nach der Formel E = mc² entspricht jede Masse m einer wohlbestimmten Menge an Energie E, aber auch jede Energie E einer wohlbestimmten Masse m.

    Für Photonen (Lichtteilchen) gilt das laut Einstein aber nicht. Zumindest besitzen sie keine Ruhemasse. Diese ist auch nicht nötig, da Photonen sich immer bewegen, und zwar mit Lichtgeschwindigkeit. Und die Relativitätstheorie lehrt uns, das keine Objekte mit endlicher Ruhemasse auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können -dazu wäre unendlich viel Energie nötig.

    Allerdings hat Licht eine bewegte Masse. Bewegte Masse ist nur eine Andere Masseinheit für Energie. Diese bewegte Masse des Lichts sorgt auch dafür, das Photonen von der Gravitation beeinflusst werden, also Licht z.B. gebogen werden kann. Der Gravitation ist es nämlich egal, ob sie Masse oder Energie vor sich hat.

  3. Hi ..
    habe Eure Aussagen gelesen zum Thema E=mc².
    … wenn also ein teilchen keine Ruhemasse hat muss es sich dann ewig bewegen.
    Nach neuesten Versuchen wurde schon ein Lichtteilchen im Experiment in seiner bewegung zum Stillstand gebracht. Wie verhält sich das denn mit der Aussage, das ein Photon immer mit lichtgeschwindigkeit sich bewegt ????

    Gruss indenetek

  4. Mike-vom-Mars

    Die rein theoretische Obergrenze der Lichtgeschwindigkeit beträgt zwar 299.792,458 Kilometer pro Sekunde – dabei geht man aber von einem Vakuum als Medium aus. Tatsächlich aber hängt die wirkliche Geschwindigkeit des Lichts, wie beim Schall, vom jeweiligen Medium ab, in dem es sich bewegt. Bewegt sich Licht durch die Atmosphäre der Erde, dann ist es "nur" 299.710 Kilometer pro Sekunde schnell. Bewegt es sich durch Wasser, dann ist es nur noch mit 225.000 Kilometer pro Sekunde unterwegs. In ganz speziellen Experimenten mit speziellen Medien ist es sogar schon gelungen, dass Licht auf 61 Kilometer pro Stunde abzubremsen.

    Es ist sogar möglich, einen "Licht-Überschallknall" zu beobachten, der eintritt, wenn sich Objekte schneller als das Licht bewegen. Da die Brennelemente in einem wassergefüllten Ausklingbecken gelagert werden, können diese schnellen Elektronen schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Wasser sein und geben dann die sogenannte “Tscherenkow”-Strahlung ab, ein bläuliches Leuchten.

    Man muss sich klar machen, dass die Lichtgeschwindigkeit eine wirklich fundamentale Größe ist. Es ist nicht einfach “nur” die Lichtgeschwindigkeit – es ist die Geschwindigkeit, mit der sich masselose Teilchen bewegen (müssen). Es ist die Geschwindigkeit, mit der sich alle elektromagnetischen Wellen ausbreiten. Es ist eine Geschwindigkeit, die so gut wie alles im Universum beeinflusst. Diese Zahl steckt in fast allen physikalischen Formeln und wird zur Beschreibung fast aller astronomischen Phänomene benötigt. Ein Universum mit einer anderen Lichtgeschwindigkeit würde auch ganz anders aussehen.

    Sterne würden anders funktionieren und strahlen (oder gar nicht mehr strahlen), die chemischen Elemente wären anders aufgebaut, die Interaktion zwischen den Elementarteilchen würde anders ablaufen, und so weiter.

    Man kann also davon ausgehen, dass die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum tatsächlich immer und überall 299.792,458 Kilometer pro Sekunde beträgt.

  5. Wunderbar beschrieben, danke für den netten Artikel.
    Wermutstropfen: Das orthografische Problem mit "das" und "dass" ist im WEB ja allgegenwärtig, so auch hier. Das tut etwas weh, wenn auch die inhaltliche Qualität ungeschmälert bleibt.

  6. Mike-vom-Mars

    Ach, damit kann ich noch leben – das so viele aber mittlerweile aus einem Paket ein PaCKet machen, aus einem Haken einen HaCKen und vieles eCKelig (ekelig) finden, ist eigentlich viel wundersamer :-D

  7. So wunderbar einfach und sauber erklärt! Endlich hab ich jetzt den Hauch einer Ahnung um was es bei Quantenphysik geht. Danke dafür. Es sollte mehr Lehrer geben die so erklären können. Oder Bücher. Oder Internetblogs von Marsianern :)

  8. Mike-vom-Mars

    Dieses Thema ist nur deshalb für uns so "schwer" zu verstehen, weil wir im Alltag nicht wirklich (zumindest nicht bewusst) damit in Berührung kommen und unser Gehirn sich so im Laufe des Lebens eine simple Welt zurechtgezimmert hat, die auf dem einfach nachzuvollziehenden Newtonschen Weltbild basiert. Dieses ist einfacher zu verstehen, weil man es direkt beobachten, "anfassen" kann und weil es einfach perfekt in den menschlichen Alltag passt.

    Wenn man sich dann aber irgendwann mit der wundersamen Welt der Quanten beschäftigt, muss man erst mal wieder umdenken und sich wieder bewusst machen, das die Welt im Innersten nicht die ist, die wir uns bequemlicherweise zurechtgedacht haben :-)

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