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Quantum Physics for Dummies

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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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Recent Comments

  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 :-)

  9. Lieber Mike, danke für Deine Hilfe, einem Begriffstutzigen wie mir wieder ein kleines Stück weitergeholfen zu haben. Als Schmalspurphilosoph habe ich mich mit dem “Zufall“ auseinandergesetz. Zwei Nahtoderfahrungen haben meine Denkweise beeinflusst. Pascal und Herder habe ich neulich (wieder-) entdeckt. Mich erstaunt die Fähigkeit der Menschen, mit nur fünf Sinnen ausgestattet Werkzeuge erfunden zu haben, welche Rückschlüsse auf nicht unmittelbar sichtbares ermöglicht zu haben.
    PS Bei der ersten Erwähnung des Wortesc“Atombombe“ fehlt das zweite b.ich dachte zuerst an eine Wortneuschöpfung Atombeaume (Atombalsam), Atombäume, Atombonbons (es weihnachtet sehr).
    Schöne Feiertage!
    Heinrich

  10. auseinandergesetzt, Sichtbares,,

  11. Mike-vom-Mars

    Danke dir, hab's korrigiert 👍

    Ich denke, der Grund, warum wir Menschen trotz unserer limitierten Sinne Rückschlüsse auf "Unsichtbares" ziehen können, ist, zumindest in der Forschung, vor allem die Mathematik. Sie ist die wahre Sprache des Universums. Sie ermöglicht es uns, nicht nur in die Vergangenheit oder die Zukunft zu sehen, Zusammenhänge und Kausalitäten zu erkennen, sondern auch Dinge zu sehen, die unseren normalen Sinnen nicht zugänglich sind.

    Dem gegenüber gibt es auch noch das intuitive Verstehen. Aber das benötigt einen relativ reinen, unverfärbten Geist, der im Großen und Ganzen frei ist von Kultur, Tradition, Fanatismus, Leidenschaften, Emotion, Erziehung, Vorurteilen und Religionen. Man kann sich also ausrechnen (Wortspiel), wie wenige Menschen wirklich zu intuitivem Verstehen in der Lage sind.

  12. supergute eingängige heranführung an quantenmechanische grundsätzlichkeiten….was mir immer zu quantenmechanisch verschränkten teilchen bzw. informationsübertragung schneller als licht einfällt ist die schilderung einer frau die während des 2ten weltkrieges plötzlich wusste dass ihr mann im felde gefallen war…man könnte von einer gleichzeitigkeit des wissen um einen informationsstand(der eingetretene tod des ehepartners)ausgehen….was zu beweisen wäre durch exakte messung des todeszeitpunktes des mannes und dem zeitpunkt des darum wissens bei der frau…was leider nicht vorliegt…aber mehrere ähnliche schilderungen einer quasi verschränkten verbindung zwischen räumlich getrennten personen sind mir im laufe meiner registrierbereitschaft für solche phänomene aufgefallen…wissenschaftlich zu messen wie schnell ein übertragungstempo von informationen solcher art stattfindet dürfte schwer sein aber machbar.(experimentiell…)bei vorraussagen von kartenabfolgen die z.bsp vom amerikanischen geheimdienst in experimenten mit sogenannten medial veranlagten menschen durchgeführt wurden ist das momentum zeit und damit die übertragungsgeschwindigkeit des wissens um etwas….dass zum beispiel die karo sieben im nachbarraum für das medium nicht sichtbar auf die herz 8 folgt…kaum messbar…noch verwirrender wären exakte vorraussagen zukünftiger tatsachen oder abläufe…dafür gibt es bis jetzt keine mir bekannten unumstösslichen beweise…aber über den linearen ablauf von zeit darf spekuliert werden…und absurd anmutende thesen kann man auch mathematisch untersuchen…wie z.bsp das wissen um zukünftige gegebenheiten…solche informationsübertragung in punkto geschwindigkeit untersuchen zu wollen scheint äusserst absurd zu sein….und geht in der sinnhaftigkeit gegen null…kann aber trotzdem noch nüchtern abgehandelt werden..sollten meine betrachtungen ausgeufert erscheinen …dann sind sie es wohl..verschränkt oder beschränkt…je nach betrachter ….gruss arno…..und ein danke an den macher oder die macher der seite

  13. fragen….
    sind neutrinos quanten?
    sind higgs-bosonen quanten?
    besteht das higgs-feld aus quanten?
    sind w-z…usw-bosonen quanten?
    kann man quanten zerschiessen….ja….sind die kurzlebigen bruchstücke quanten?
    haben die verschiedenen erscheinungsformen von quanten(photon,das noch nicht nachgewiesene graviton,usw)ein grundsätzliches gemeinsames muster…?
    könnten quanten unabhängig von raum und zeit bestehen?…durch die nachgewiesene beschränkung von quantenpaare und des immer gleichen informationstandes des quantenpaares bei messungen, unabhängig von zeit u. raum, drängt sich mir dies auf…
    je mehr ich den fragensack öffne,erscheint es mir dass ich was grundsätzliches nicht erfasst habe oder nicht erfassen kann…bezüglich des wissenschaftlich definierten begriffes…QUANT…egal…wird trotzdem abgeschickt…
    und könnten quanten einfach mal verschwinden da sie in einem anderen gefüge(den menschlichen messinstrumenten nicht zugänglich) eine funktion übernehmen?
    hmmm…ich bin laie…leider…aber sehr sehr interessiert an dieser welt des kleinsten…jede messung durch menschen ist ja eine form von direkter anfrage an noch unbestmmte kleinstteilchen…wo bist du? was machst du? wie erscheinst du?…und das kleinstteilchen reagiert…eine art der interaktion findet statt….mache schluss da alles verschwimmt und meine überlegungen und entstehenden fragen immer mehr intutiv spekulativ werden….bye bye

  14. Lieber Mike,

    wenn zwei Teilchen keine bestimmte Position haben, wie können sie dann überhaupt zusammenstoßen? Hieße dass nicht, dass sie beide die exakt gleiche unbestimmte Postion haben müssten damit aber wiederum eine ganz bestimmte Position?

    Liebe Grüße von Georgie (ebenfalls vom Mars zur Beobachtung der Menschen hergekommen)

  15. Mike-vom-Mars

    Teilchen haben vor einer Messung durchaus eine Position – wenn auch nur eine wahrscheinliche, die anhand der Wellenfunktion geschätzt werden kann. Diese Wahrscheinlichkeit kann man aber durch eine geschickte Anordnung des Experiments stark reduzieren.

    In einem Teilchenbeschleuniger z.B. sind die Protonen zu Teilchenpaketen gruppiert. Ein Teilchenstrahl des LHC besteht aus 2808 solcher Teilchenpakete, die jeweils rund hundert Milliarden Protonen enthalten.

    Die Größe der Teilchenpakete ändert sich im Verlauf einer Umrundung. Weit entfernt von den Kollisionspunkten ist ein Teilchenpaket rund einen Millimeter breit. Kurz vor den Detektoren werden die Teilchenpakete magnetisch auf 16 Mikrometer zusammengedrückt, um dadurch die Wahrscheinlichkeit für Zusammenstöße zu erhöhen (zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist rund fünfzig Mikrometer dick).

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