Benutzer:Liberipedia/Quantenphysik
Die Quantenphysik ist eine Naturwissenschaft. Sie beschäftigt sich mit Erscheinungen, die sich mithilfe der klassischen Physik nicht zufriedenstellend erklären lassen. Zu diesem Zweck entwickelt sie Theorien und Modelle, die sich mit den kleinsten Teilchen der Materie und deren besonderen Eigenschaften befassen.
Quantenhypothese
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Grundlage für die Quantenphysik ist die um das Jahr 1900 herum entwickelte Quantenhypothese des Physikers Max Planck. Zu dieser Zeit stießen Forscher bei ihren Experimenten immer öfter auf Ergebnisse, die sich mit keiner der damals bekannten naturwissenschaftlichen Grundlagen erklären ließen. Manche Eigenschaften und Verhaltensweisen von Licht, Magneten und anderen Dingen erschienen ihnen unberechenbar; sie konnten weder erklärt, noch sicher vorhergesagt werden. Das hat für große Verwirrung gesorgt, denn normalerweise läßt sich das Ergebnis eines physikalischen Versuchs ziemlich genau vorhersagen.
Max Planck hat, wie viele andere, versucht, eine Erklärung dafür zu finden und entwickelte die Quantenhypothese. Das ist eine Vermutung über das Verhalten von sogenannten Quantenobjekten. Anfangs war er sich sehr unsicher, ob dieser Erklärungsansatz funktionieren würde. Inzwischen ist das weltweit anerkannter Standard.
Die Quantenhypothese besagt, Energie kann nicht immer in beliebiger Menge übertragen werden. Wenn es um Strahlung geht, wird Energie in „Energiepaketen“ übertragen. Diese „Energiepakete“ werden als Quanten bezeichnet.
Das ist so ähnlich wie bei einer Herdplatte, die nur auf Stufe 1 oder Stufe 2 oder Stufe 3 mit Heizenergie versorgt werden kann, aber nicht irgendetwas dazwischen. Ein ähnliches Beispiel wäre eine Treppe, bei der man eine Stufe (15 cm), oder zwei Stufen (30 cm) oder drei Stufen (45 cm) auf einmal hinaufsteigen kann, aber nicht irgendeine beliebige Höhe dazwischen. Anders ist das an der Käsetheke. Kaum jemand möchte einen ganzen Laib Käse oder zwei Laibe Käse oder gar drei Laibe Käse kaufen, sondern meistens nur ein kleines Stück vom Käse. Bei Käse von der Käsetheke ist das möglich. Man kann jede beliebige Menge kaufen, also beispielsweise 100 g Käse oder 268 g Käse oder irgend eine andere Menge.
Die Herdplatte und die Treppe können also – wie Quantenobjekte – nur bestimmte Werte annehmen. Man könnte auch sagen, sie sind gequantelt. Käse von der Käsetheke hingegen kann in jeder beliebigen Menge gekauft werden und ist demnach nicht gequantelt. Anders wäre dies bei fertig abgepacktem Käse. Der fertig abgepackte Käse kann ebenfalls nur in ganzen Paketen über die Ladentheke wandern, so wie die „Energiepakete“ nur als ganzes vom einen zum anderen Quantenobjekt wandern können.
Weitere Besonderheiten der Quantenphysik
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Abgesehen von der Quantenhypothese beschäftigt sich die Quantenphysik noch mit einigen anderen Dingen. Dazu gehören:
- Der Welle-Teilchen-Dualismus. Dieser beschäftigt sich mit Quantenobjekten, die sich in manchen Experimenten wie kleine Teilchen verhalten, in manchen anderen wie eine wellenförmige Energie. In Wirklichkeit sind diese Erscheinungen aber weder das eine noch das andere. Was sie wirklich sind, weiß bis heute niemand.
- In der Quantenphysik weiß man vorher nie genau, was bei einem einzelnen Durchgang eines Experiments herauskommen wird. Was man aber vorhersagen kann ist, welche Ergebnisse wie oft vorkommen, wenn man ein Experiment sehr oft wiederholt. Ein Beispiel hierfür ist die Bewegung eines Elektrons im Umfeld eines Atomkerns. Wenn man den Aufenthaltsort des Elektrons viele Male bestimmt, erhält man viele punktförmige Meßergebnisse. In der Nähe des Atomkerns befinden sich besonders viele Punkte, weiter weg immer weniger. Nimmt man alle Orte zusammen, an denen sich das Elektron aufhalten kann, erhält man das Atomorbital. Zeichnet man ein Bild davon, ergibt sich eine Wolke aus Pünktchen, die zu ihren Rändern hin immer schwächer wird. Wiederholt man die Messungen, bekommt man immer wieder eine ganz ähnlich aussehende Pünktchenwolke.
- Noch ein wichtiger Punkt ist der Einfluß der Experimente auf das Verhalten der Quantenobjekte. Allein durch die Messung selber wird während des Experimentes bereits ein störender Einfluß ausgeübt. Das läßt sich in der Quantenwelt nicht vermeiden. Deswegen kann man beispielsweise den Aufenthaltsort und den Bewegungsimpuls eines Teilchens nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmen. Auch alle anderen Messungen in der Quantenwelt verändern das Quantenobjekt bereits durch die Messung an sich. Detailliert beschrieben wird dies unter anderem durch die sogenannte Heisenbergsche Unschärferelation des Nobelpreisträgers Werner Heisenberg.
Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Zur Quantenphysik gehören auch zwei Teilbereiche der theoretischen Physik:
Die Quantenmechanik beschreibt das Verhalten von Quantenobjekten unter dem Einfluss von Feldern. Ein Feld beschreibt eine physikalische Eigenschaft, die sich über einen größeren Raum erstreckt.
Die Quantenfeldtheorie baut auf der Quantenmechanik auf. Hierbei werden diese Felder selbst als Quantenobjekte betrachtet und Feldquanten genannt. Feldquanten werden als die fundamentalen Elementarteilchen angesehen, die kleinsten bekannten Bausteine der Materie.
Zum großen Bedauern vieler Wissenschaftler lassen sich diese beiden Theorien bislang nicht mit der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein vereinbaren.
Bedeutung und Verständnis der Quantenphysik
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Quantenphysik ist heutzutage, neben der Relativitätstheorie, einer der Grundpfeiler der modernen Physik. Vor allem ganz kleine Dinge, wie Atome und Moleküle, oder besonders reine Dinge, wie Laserstrahlung, lassen sich in ihren Eigenschaften nur mit Hilfe der Quantenphysik erklären. Dies gilt aber auch für einige Dinge des Alltags, wie Farbigkeit, Magnetismus, elektrische Leitfähigkeit und viele weitere Phänomene.
Trotz aller Fortschritte im Bereich der Quantenphysik ist und bleibt es sehr schwierig, Inhalte aus der Quantenphysik mit dem menschlichen Verstand nachzuvollziehen. Ein sehr bekanntes Gedankenexperiment dazu ist das Paradoxon „Schrödingers Katze“, bei dem eine Katze gleichzeitig als lebendig und tot angesehen wird. Das erscheint dem menschlichen Verstand als völlig unsinnig. Einer der berühmtesten Experten für Quantenphysik faßte die scheinbare Unvereinbarkeit von quantenphysikalischen Betrachtungen und menschlichem Verstand einmal zusammen, als er schrieb:
„… es ist sicher zu sagen, niemand versteht Quantenmechanik.“
Trotzdem funktionieren die Formeln und Modelle. Es ist mithilfe der Quantenphysik möglich, die Ergebnisse von Experimenten korrekt vorherzusagen. Was genau letztlich dahinter steckt, weiß allerdings niemand.
Quellen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Weblinks
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- Was ist Quantenphysik? – Einführung für Kinder von der ETH Zürich
- Quantenphysik auf DESYs KworkQuark – Teilchenphysik für alle! vom Forschungszentrum Deutsches Elektronen-Synchrotron
- Cosmic Quantum Ray – Zeichentrickserie auf KiKA, produziert mit Unterstützung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik