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Quantentheorie
In der Welt der Atome und Teilchen sind die klassischen physikalischen Gesetze nicht mehr gültig. Man benötigt ein vollkommen andersartiges Modell, um die in diesem Größenbereich auftretenden Vorgänge zu beschreiben: die Quantentheorie.
Beobachtungen
- Licht wird nicht kontinuierlich, sondern in "Häppchen" (Quanten) ausgestrahlt oder absorbiert.
- Ein gebundenes Teilchen (wie z. B. ein Elektron in einem Atom) kann nicht jede mögliche Energie haben, sondern nur ganz bestimmte Werte (Franck-
Hertz- ).Versuch - Misst man die Rotation von Teilchen um sich selbst, dann erhält man nur bestimmte Rotationsachsen (Stern-
Gerlach- ).Versuch - Teilchen zeigen Eigenschaften von Wellen (Welle-
Teilchen- ).Dualismus - Für eine kleine Zeitspanne ist auch eine Verletzung des Energieerhaltungssatzes erlaubt. (Darauf beruht der Tunneleffekt.)
- Drei Elektronen, die sich im selben Raumbereich aufhalten, können nicht genau die gleiche Geschwindigkeit haben, egal wie groß der Raumbereich ist (Pauli-
Prinzip ). - Zwei Teilchen, die einmal nahe beieinander waren, können in einer subtilen Beziehung zueinander bleiben, auch wenn sie sich beliebig weit voneinander entfernt haben (verschränkte Quantenzustände).
- Licht schwingt in einer bestimmten Richtung. Schickt man Licht durch zwei Filter, von denen einer senkrecht und der andere waagrecht schwingendes Licht durchlässt, kommt kein Licht durch. Platziert man aber einen 3. Filter zwischen den beiden, der diagonal schwingendes Licht durchlässt, dann geht etwas Licht durch alle drei Filter. Obwohl mehr gefiltert wird, kommt also am Ende mehr Licht an (Drei-
Polarisatoren- Paradoxon[1]).
Wie kann das sein?
"Wenn Sie die Quantentheorie verstehen wollen, dann müssen Sie Ihren Verstand an der Garderobe abgeben", erzählte Prof. Manfred Schweda in der Vorlesung an der TU Wien, die ich während meines Mathematik-
Weil die Quantentheorie so sehr unseren alltäglichen Erfahrungen widerspricht, kommt es leicht zu Missverständnissen. Irrtümer über die Quantentheorie sind häufig anzutreffen.
Ich habe nicht so große Probleme, die Quantentheorie zu akzeptieren. Für mich ist es "nur" ein Werkzeug, um die Wirklichkeit beschreiben zu können. Aus Sicht der Wissenschaftstheorie trifft das auf alle Theorien zu. Und auch schon bei den älteren physikalischen Theorien wurde zuweilen die Intuition strapaziert:
- Wie können Kräfte aus der Ferne wirken?
- Wie kann sich Licht, wenn es eine Schwingung ist, im Vakuum ausbreiten?
Oder in der Relativitätstheorie:
- Wie können Objekte in Bewegungsrichtung schrumpfen? (Lorentz-
Kontraktion ) - Wie kann die Masse von bewegten Objekten zunehmen?
Wenn man sich streng auf das Beobachtbare beschränkt, treten keine Widersprüche oder Paradoxa in der Quantentheorie auf. Alle Beobachtungen, die Generationen von Physikern in Experimenten gemacht haben, sind im Einklang mit der Quantentheorie. Es gibt daher keinen Zweifel daran, dass es sich um ein brauchbares Modell handelt.
Folgerungen
Aus der Quantentheorie ergibt sich:
- Ort und Geschwindigkeit eines Teilchens sind prinzipiell nicht zugleich mit beliebig hoher Genauigkeit messbar (Heisenbergsche Unschärferelation, für eine Begründung siehe Doppelspalt-
Experiment ). - Der Zufall spielt im Mikrokosmos eine grundsätzliche Rolle. Nur das durchschnittliche Verhalten von Teilchen ist exakt voraussagbar. ("Gott würfelt", auch wenn Einstein das nicht glauben wollte.)
- Die Vorstellung, dass Teilchen zu jedem Zeitpunkt wohldefinierte Eigenschaften haben, muss aufgegeben werden. Teilchen mit verschränkten Quantenzuständen belegen, dass die Eigenschaften nicht nur unbekannt, sondern undefiniert sind, bis sie gemessen wurden (Bellsche Ungleichung).
Weiter
Siehe auch
- Diplomarbeit bei meinem Mathematik-
Studium – Ich habe mich mit einem Thema der Quantentheorie aus der Sicht eines Mathematikers beschäftigt.
Weblinks
- Joachim Schulz: Quantenmechanik – Lexikonartige, knappe Einführung ohne Mathematik
- Franz Embacher: Artikel über Quantentheorie
- Hendrik van Hees und andere: Nichtrelativistische Quantenmechanik – Weitere Artikelsammlung
Literatur
- Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, Matthew Sands: Vorlesungen über Physik. Band 3: Quantenmechanik. München: Oldenburg, 1987 (amerik. Original 1963) – Ideal, wenn du einen intuitiven Zugang zur Quantentheorie erlernen willst.
- Richard P. Feynman: QED – Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. München: Piper, 2. Aufl. 1989 (amerik. Original 1985) – Zeigt qualitativ, nachvollziehbar und exakt, wie mit den Ideen der QED (= Quantenelektrodynamik) z. B. die Reflexion, Beugung und Brechung von Licht berechnet und verstanden werden kann.