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Quantum Physics for Dummies

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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 Atombomben.

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.

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Mike vom Mars Blog - mike-vom-mars.comAuthor: Mike vom Mars
A couple of years ago, Mike emigrated from his home planet to Earth to study and examine the human species. His findings offer a deep insight into the nature of human beings and their strange society.

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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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