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Quantenphysik für Dummies: Was sind Quanten?

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Der typische Deutsche ist kein sehr Phantasiebegabter Mensch. Parallelwelten? Zeitreisen? Wurmlöcher? Ist doch alles nur Humbug. Falsch -denn wer sich mit der Welt der Quantenphysik beschäftigt, entdeckt nach und nach, das wir in einer ziemlich abgefahrenen Welt leben, in der eigentlich nichts unmöglich scheint.

Seit Anbeginn der Zeiten ist der Mensch auf der Suche nach einem System, das ihm die Welt erklärt. Wir alle, zumindest die meisten von uns, sind auf der Suche nach der Matrix. Jahrtausende musste dafür die Religion herhalten. Wer im Namen der Religion sprach -oder sprechen durfte- der hatte recht. Punkt. Völlig egal, wie schwachsinnig die jeweiligen Thesen auch sein mochten. In manchen Gebieten der Welt ist das heute noch so. Die Religion muss nichts beweisen -sie muss einzig dafür sorgen, das man glaubt, was sie postuliert.

Die Religion muss nichts beweisen -sie muss einzig dafür sorgen, das man glaubt, was sie postuliert.

Dann kam das Zeitalter der klassischen Wissenschaften, in dem nur noch galt, was auch praktisch beweisbar war. Nach und nach setzte sich eine neue Nüchternheit durch, die nur noch gelten liess, was auch methodisch beweisbar war. Die Welt wurde von der Wissenschaft wortwörtlich entzaubert. Die Natur galt nunmehr als absolut berechenbares, grosses, mechanisches Räderwerk. Es schien, als hätte die Religion ausgespielt. Das, was sie Jahrtausende lang ihren Anhängern erzählte, galt als verlogen, erfunden, verstaubt -ungeachtet der Tatsache, das alle grossen Religionen dieser Welt eigentlich im Grossen und Ganzen das selbe behaupten.

Nach und nach drang der Mensch immer tiefer in die Materie vor. Hielten die Alten Griechen noch das Atom für den kleinsten Baustein der Materie, aus dem sich alle Dinge zusammensetzen, entdeckte man im Laufe der Zeit immer weitere, noch kleinere Teilchen. Und je kleiner diese Teilchen wurden, desto seltsamer wurde ihr Verhalten. Es schien, als ob in der Welt der kleinsten Teilchen völlig andere Naturgesetze wirkten und man erkannte bald, das man sich diese neue Welt nicht mit den Regeln der klassischen, vorhersehbaren, mechanischen Physik erklären konnte.

Die Geburt der Quantenphysik

Das war die Geburt der Quantenphysik und der Quantemmechanik, die das Verhalten und die Naturgesätze der atomaren und subatomaren Welt beschreiben. Und diese brechen radikal mit den Vorstellungen der klassischen Physik. In der Welt der Quantenphysik spielen Zeit und Raum nur bedingt eine Rolle, scheint die Zukunft unter Umständen die Vergangenheit zu beeinflussen und die Existenz einer (oder vieler) paralleler Welten sogar eine mathematisch zwingende Tatsache zu sein.

Und siehe da, hier schliesst sich wieder der Kreis zur Religion. Nachdem wir uns enttäuscht von ihr abgewandt hatten, ihre Auswüchse, die Verfolgung andersgläubiger und ihren Anspruch zur Alleinherrschaft nicht mehr hinnehmen wollten und in der Wissenschaft unser neues Heilsversprechen sahen, das uns alle ungeklärten Fragen des Universums beantworten würde, wissen wir heute -dank der Quantenphysik- das wohl doch einiges von dem, was uns die Religion bereits vor tausenden von Jahen erzählte, einen wahren Kern hat.

Die Existenz eines „Jenseits“? Quantenphysikalisch eigentlich fast schon zwingend vorausgesetzt. Die Unsterblichkeit der menschlichen Seele? Auch hier geben quantenphysikalische Erkenntnisse der Religion im Grunde recht. Nahtoderlebnisse, von denen betroffene Menschen meist das selbe berichten (ein langer Tunnel, der in ein helles Licht führt) -erklärbar durch die Relativitätstheorie, wie Markholf Niemz in seinem -unglaublich interessanten- Buch Lucy im Licht postuliert..

Doch alles der Reihe nach. Dieses Thema ist natürlich sehr komplex und gleicht der Reise Neos in die Matrix. Manche Dinge, die sich in der quantenphysikalischen Welt abspielen, sind so phantastisch und unglaublich, das manch einer sich wohl wünscht, er hätte lieber die blaue Pille genommen und wäre in der überschaubaren Welt Isaac Newtons geblieben, statt einer neuen Realität ins Auge zu sehen, die die Grenzen unserer gewohnten Logik sprengt.

Die Quantenphysik beschreibt die Naturgesetze in der Welt des Allerkleinsten, den Quanten. Aber was zum Teufel sind Quanten? Weiter auf der nächsten Seite.

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.

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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