Quantenphysik – Unglaublich aber wahr....         (Text von Timo Griesel -
                                                                                           Physik-Student an der Uni Mainz)

 Nothing is real               (John Lennon)

 

 Die Welt der Quanten, dass heißt die mikroskopische Welt des Kleinsten, ist genau so rĂ€tselhaft wie interessant, genau so unglaublich wie elegant....

In ihr können Dinge geschehen, die wir mit unserem beschrĂ€nkten Verstand nicht begreifen können. WĂŒrden sie einen Quantenphysiker nicht fĂŒr verrĂŒckt halten, wenn er Ihnen erzĂ€hlen wĂŒrde, dass es eine (nicht gerade geringe) Wahrscheinlichkeit dafĂŒr gibt, dass sich Ihr Geld in seiner Tasche aufhĂ€lt. Oder, was wĂŒrden Sie sagen, wenn er Ihnen erklĂ€rte, dass es durchaus möglich ist, dass ein Fußball, welcher auf ein leeres Tor geschossen wird, wieder zurĂŒck kommt, natĂŒrlich ohne das er vom Pfosten oder Ă€hnlichem abprallt. Sie wĂŒrden sagen: „NatĂŒrlich“ und sich Ihren Teil denken. Doch sind dies alles Dinge, die in der Welt der Quanten einfach normal sind.

Sie fragen sich jetzt, bestimmt gibt es auch Menschen, die sich in dieser Welt der kleinsten Teilchen auskennen ?  Sicher! Oder wie sonst glauben Sie erwirtschaften die Vereinigten Staaten 30% ihres Bruttosozialproduktes? Fernsehen, Computer, Handys, nahezu alles funktioniert mit Hilfe der Quantenphysik. Die Quantenphysik ist es, die der Menschheit in den letzten hundert Jahren einen schnellen Fortschritt beschert hat. Das theoretische GerĂŒst dieser Quantenphysik wurde nicht wie die klassische Mechanik (welche Jahrhunderte lang als das ParadestĂŒck derPhysiker galt) in mĂŒhevoller Kleinstarbeit ĂŒber ein Jahrhundert entwickelt. Nein, sie wurde in nur einem Jahrzehnt erdacht. WeltberĂŒhmte Physiker in der Zeit der Jahrhundertwende fanden die Quantenphysik so verrĂŒckt, dass sie ihr bis zu ihrem Tode nicht glaubten; einer ihrer bekannten Gegner war Albert Einstein.

Das Problem der Quantenphysik ist, dass sie nicht so populĂ€r ist wie andere Theorien. WĂŒrde man die BĂŒcher, welche einem Laien versuchen die RelativitĂ€tstheorie zu erklĂ€ren, aneinander reihen, so wĂŒrden sie möglicherweise bis zum Mond reichen. WĂŒrde man die BĂŒcher, welche dem Laien versuchen die Quantenphysik zu erklĂ€ren, aneinander reihen, so wĂŒrden sie sicherlich noch nicht einmal fĂŒr ein Regal reichen. Dabei ist sie nicht weniger unverstĂ€ndlich.

Alles begann so um die Jahrhundertwende, als Max Planck die „ Schwarzkörper “-Strahlung versuchte zu erklĂ€ren. Gewisse Abweichungen in seinem vorherberechnetem Spektrum fĂŒhrten ihn zu dem Schluss, dass Energie nicht kontinuierlich abgegeben wird, sondern in kleinen diskreten „Paketen“, welche er Quanten nannte. Dieser Ansatz wurde fĂŒr so unglaubwĂŒrdig empfunden, dass selbst seine Doktoranden ĂŒber ihn sagten:„ Er will kontinuierlich essen und diskret Schei...“. Doch Planck brachte den Stein ins Rollen, stĂ€ndig wurden neue Theorien und ErklĂ€rungen publiziert, die schlausten Köpfe seiner Zeit (Bohr,Schrödinger, Heisenberg, Born, Sommerfeld und viele Andere) brĂŒteten ĂŒber einer einheitlichen Lösung. Eine Aufspaltung in zwei Lager bewirkte dann Werner Heisenberg mit seiner weltberĂŒhmten UnschĂ€rferelation. Diese besagt, dass man Ort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig beliebig genau messen kann. Man kann nur eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit angeben. Dies stand in so großem Widerspruch zur klassischen Theorie, dass viele nun die Quantentheorie als Humbug abtaten.

Dem Laien wird an dieser Stelle nicht bewusst, was es bedeutet, einen Ort und einen Impuls nicht gleichzeitig genau messen zu können. Na ja, eigentlich ist das nicht schwer zu verstehen. Man kann eben nicht gleichzeitig genau feststellen wo etwas liegt, und welche Geschwindigkeit es besitzt. Man kann sagen es könnte dort sein mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit oder eben mit einer etwas kleineren dort. Zugegeben, das ist etwas ungewöhnlich. Wenn Sie ein Glas Wasser auf den KĂŒchentisch stellen, dann steht es da und wenn es keiner abrĂ€umt steht es auch eine halbe Stunde spĂ€ter noch genau am gleichen Punkt. Das dies ein paar helle Köpfe nicht glauben wollten ist doch verstĂ€ndlich, oder? Das ganze wurde noch durch einen anderen wahnwitzigen Versuch getoppt. Das Experiment am Doppelspalt, welches zeigt, dass sich Teilchen auch wie eine elektromagnetische Welle verhalten (Welle-Teilchen Dualismus), d.h. ganz grob gesagt einmal wie eine harte Billardkugel und einmal wie ein masseloses Gedankengebilde. Unglaublich, oder? Ist aber so ! Schnell war das klassische, streng deterministische Weltbild der Physik ins Wanken gekommen und Max Planck (dem 1874 vom Physikstudium abgeraten mit der BegrĂŒndung wurde: In der Physik ist alles erforscht und es gibt nur noch wenige LĂŒcken zu fĂŒllen) war gewissermaßen der Auslöser des ganzen Übels.

Um diesem Streit ein Ende zu machen trafen sich die besten Physiker der Welt in Kopenhagen, um die neue Quantentheorie zu deuten. Dieses Treffen brachte ein paar interessante Gedankenexperimente zu Tage, dass bekannteste von allen ist wohl das von Schrödingers Katze.

Was war denn nun mit Schrödingers Katze? Erwin Schrödinger von der UniversitĂ€t ZĂŒrich erdachte folgendes Gedankenexperiment (Solch ein Experiment wurde natĂŒrlich nie ausgefĂŒhrt!): Eine lebendige Katze wird mit einem beliebigen Tötungsmechanismus in einen Kasten gesperrt. Der Tötungsmechanismus wird durch den Zerfall eines radioaktiven Atoms ausgelöst. Öffnet man den Kasten soll die Katze tot sein. FĂŒr eine Anzahl von mehreren Atomen kann man eine Halbwertszeit angeben, in der die HĂ€lfte aller Atome zerfĂ€llt. Aber sichtbare Mengen an Atomen reprĂ€sentieren immerhin etwa 1018 Atome (eine 1 mit 18 Nullen!) Wann jedoch ein einzelnes Teilchen genau zerfĂ€llt, kann man nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit sagen. Nun stelle man sich diese große Kiste vor, in ihr die besagten Dinge und man kann nicht herein sehen, wie weiß ich jetzt ob die Katze lebt oder tot ist ? Ich weiß es nicht! Ich kann nicht sagen ob sie noch lebt oder schon tot ist! Die Katze nimmt also einen „Wahrscheinlich toten“ und einen „Wahrscheinlichen lebenden“ Zustand an. Aber nun das Paradoxe an dieser Sache, ein bisschen Tod ist eben nicht möglich. Entweder ist man tot oder man lebt, aber bestimmt nicht beides! Der Quantenphysiker behauptet dies jedoch und ordnet der Katze Wahrscheinlichkeiten ĂŒber ihren Zustand zu. Die Katze nimmt einen bestimmten Zustand an und wenn dieser eben halbtot oder so ist, dann hat die Katze diesen eben. Das dies real nicht so ist, kann ja sein, aber nach den Regeln der Quantenmechanik kann man eben nicht genau bestimmen, ob die Katze nun lebt oder nicht. Sind Sie nun etwas verwirrt ?

War ich auch! Doch diesen Apparat richtig zu verstehen ist wohl nur wenigen vergönnt. Dem Laien dies glaubhaft und verstĂ€ndlich nĂ€her zu bringen ist schwierig, zumal nur wenige behaupten können, dass sie diesen ganzen Kram wirklich verstanden haben. Die praktische Anwendung  dieser Ideen  mit der zugrunde liegenden Wahrheit und Schönheit hat ungefĂ€hr soviel wie Boeing fliegen und Drachensteigen gemein. Schnell hat man ein fĂŒr den Laien schönes Buch gelesen, mit vielen schönen ErklĂ€rungen (welche auch oft den Physikern helfen) und denkt, dass man  nun die  Welt der Quanten verstanden habe, doch tĂ€glich bringen die Physiker neue PhĂ€nomene ans Tageslicht, unglaubliche Dinge wie zum Beispiel flĂŒssiges Helium, welches ab einer gewissen Temperatur die Wand hinauf kriecht (fließt) statt herunter. Es gibt noch viele unglaubliche Dinge, doch diese Dinge, die scheinbar nicht real möglich sind, Dinge die oftmals noch nicht mal richtig erklĂ€rt werden können, sind es, die sich die moderne Technik zu nutzen macht. Worte wie Quantencomputer oder Ähnliches sind in aller Munde, doch was es bedeutet in die Welt der Quanten zu schauen, wissen nur sehr wenige.

Falls Sie nun etwas Interesse bekommen haben und eventuell einen kleinen Einblick (sicherlich einen viel besseren wie ich ihn je geben kann) bekommen wollen, möchte ich Ihnen noch ein paar BĂŒcher ans Herz legen:

John Gribbin „ Auf der Suche nach Schrödingers Katze - Quantenphysik und Wirklichkeit “ Piper Verlag

Toney Hey & Patrick Walters „ Das Quantenuniversum – Die Welt der Wellen und Teilchen “ Spektrum Verlag

 

 

Wer die Quantenmechanik und die RelativitĂ€tstheorie verstehen will, der muss sich viel mit mathematischen Ableitungen “herumquĂ€llen”. Wir versuchen hier einen weniger mathematischen Zugang, jedoch sollten wir uns um die Begriffe kĂŒmmern, die in der Fachsprache benutzt werden:

Michael Hartwig, Komplexe Integration
Andreas Slateff,
Tensoren
Michael Hartwig,
Laplacetransformation und Faltung
Hendrik van Hees,
Differentialgeometrie und Physik
Horst Laschinsky,
Gewöhnliche Differentialgleichungen am Beispiel des harmonischen Oszillators
 

 

 

 

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