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Quantenphysik für Dummies: Was sind Quanten?

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Heisenberg kommt ins Spiel

Den Namen Heisenberg kennt mittlerweile jeder, der die letzten Jahrzehnte nicht unter einem Stein gelebt hat. Aber wie meinen hier nicht Walther White aus Breaking Bad, sondern sein Vorbild: Werner Heisenberg, der 1927 die nach ihm benannte Heisenbergsche Unschärferelation postulierte, die bis heute eine der fundamentalen Aussagen der Quantenmechanik ist. Wahrscheinlich hat jeder diesen Begriff schon einmal gehört. Was steckt dahinter?

Die Heisenbergsche Unschärferelation besagt, das zwei komplementäre Eigenschaften eines Teilchens nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmbar sind. Also zum Beispiel Ort und Impuls eines Quants.

Einfach gesagt: Quanten sind also sehr unentschlossene, man könnte fast schon sagen, „spukhafte“ Zeitgenossen. Jede ihrer Eigenschaften, wie zum Beispiel ihr Spin (die „Bewegung“), aber auch ihre Position ist nicht exakt vorherberechenbar. Erst wenn man ein Quant misst, also direkt beobachtet, nimmt es plötzlich eine feste Position und konkrete Eigenschaften an. Als ob es wissen würde, wenn es unter Beobachtung steht. Nein, ich bin nicht betrunken -es ist wirklich so.

„Es ist, als ob Quanten nicht von dieser Welt wären, etwas nebulöses. Und erst, wenn wir uns auf sie fokussieren, sie also messen und beobachten, entschliessen sie sich, zu einem ‚Ding‘, einem realen Teil dieser Welt, zu werden“. Und das, meine Damen und Herren, hat ein Physiker gesagt!

In der klassischen Physik kann man von einem Gegenstand, sofern man alle daran beteiligten Kräfte kennt, seine genaue Position, seinen Impuls, seine Flugbahn usw. berechnen. In der Quantenwelt aber nicht.

Der Zufall wird zum Naturgesetz

Unser durch die klassische Physik geprägtes Denken lehnt den Zufall im Grunde ab. Wir haben gelernt, das es für alles einen Grund, eine Ursache geben muss und das, was man „Zufall“ nennt, eigentlich keiner ist, sondern nur ein Zusammenspiel aus komplexen Ursachen, die wir eben nicht verstehen. Aber in der Quantenwelt stimmt diese Annahme nicht. Hier ist der Zufall ein festes Prinzip, eben die besagte Unschärfe. In der Quantenwelt lässt sich nicht erklären, warum der Ort, an dem beispielsweise ein Photon auftrifft, zufällig sein muss. Das es für jeden Vorgang einen Grund geben muss, gilt hier nicht.

„Ist denn der Mond etwa gar nicht da, wenn niemand hinsieht?“

Die Quantenwelt offenbart also zwei Prinzipien: einmal das Prinzip des Zufalls, und das Prinzip der Welle. Man stelle sich einmal eine Pistolenkugel vor, die, anstatt berechenbar geradeaus zu fliegen, nicht wüsste, wohin sie fliegt und sich erst kurz vor dem Aufprall für ein Ziel entscheidet. Aber genau so verhält sich ein Photon: es macht nur in einem statistischen Mittel das, was die mathematische Wahrscheinlichkeit eigentlich von ihm verlangt. Letztendlich aber tut es, was es will.

Willkommen in der Welt der Quanten. Dort ist es fast so, als seien alle Möglichkeiten offen -und würden erst durch die Messung auf eine einzige Möglichkeit beschränkt -und zwar vom Zufall. Übetragen auf unser Beispiel mit der Pistolenkugel würde das bedeuten, das die im Flug alle möglichen Positionen gleichzeitig einnehmen würde und erst durch unsere Messung eine einzige, feste Position einnimmt. Physikalische Grössen, wie z.B. der Aufenthaltsort haben in der Quantenphysik also keinen bestimmten Wert -sie sind unscharf.

Selbst einem Genie wie Albert Einstein war dieser Gedanke, das etwas erst dann eine feste Position einnimmt, wenn man hinsieht, zutiefst zuwider. Verächtlich stellte er die Frage „Ist denn der Mond etwa gar nicht da, wenn niemand hinsieht?“. Doch Einstein hatte in diesem einen Punkt Unrecht, wie wir heute wissen. Das er sich mit dieser verwirrenden und paradox wirkenden Wahrheit nicht abfinden wollte, ist für uns „normalsterbliche“ allerdings nur zu gut nachzuvollziehen.

Unschärfe -warum bemerken wir davon nichts im Alltag?

Teilchen, die keine Masse haben, wie zum Beispiel Lichtteilchen (Photonen) sind genau genommen keine Materie. Sie bestehen quasi lediglich aus Energie. Aber gilt dann die quantenmechanische Unschärfe auch für die Materie, die uns umgibt? Ja, das tut sie! Im Experiment verhalten sich selbst massereiche Teilchen wie Atome genau so, wie Photonen: sie haben keine bestimmte Position im Raum, bis zu dem Moment, in dem sie gemessen werden.

Die Quantenphysik verführte uns zum Bau von Atombomen.

Aber müssten wir das im Alltag nicht mitbekommen? Im Prinzip zwar schon, in der Praxis aber nicht. Denn jedesmal, wenn sich zwei Gegenstände berühren, auf ein Licht- oder Luftteilchen treffen oder sonstwie miteinander wechselwirken, findet quasi eine „Messung“ statt. Und zu diesem Zeitpunkt nimmt das jeweilige Teilchen eine eindeutige Position ein. Und deshalb ist der Mond auch da, wenn niemand hinsieht.

Wenn die Effekte der Quantenwelt aber in unserem Alltag keine Rolle spielen, warum können wir sie dann nicht einfach ignorieren? Weil die Quantentheorie eine der grundlegenden Theorien über die Natur ist. Sie erklärt die Stabilität der Materie, wie sich die Elementarteilchen zu Atomen verbinden und diese zu Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen. Sie bildet die Grundlage der modernen Elektronik. Sie verführte uns zum Bau von Atombomen. Photovoltaik, Computer, Kryptografie (Verschlüsselungstechnik), all dies sind praktische Beispiele für den Einsatz der Quantentheorie.

Bis heute hat kein einziges physikalisches Experiment Zweifel an der Gültigkeit der Quantentheorie aufkommen lassen.

Wer bis hierhin folgen konnte, ohne das ihm dabei der Kopf explodiert ist, hat schon mal eine grosse Hürde zum Verständnis der modernen Physik genommen.

Seltsam? Aber so steht es hier geschrieben... Ihr habt Fragen, Anregungen oder vielleicht sogar eine völlig andere Meinung zu diesem Artikel? Dann postet einen Kommentar.

Mike vom Mars Blog - mike-vom-mars.comAutor: Mike vom Mars
Mike emigrierte vor einigen Jahren von seinem Heimatplaneten auf die Erde, um das Leben am wohl seltsamsten Ort des Universums zu studieren. Seiner Bitte "bringt mich zu eurem Führer" wurde bisher nicht entsprochen.

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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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