Quantenphysik: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 3. Dezember 2005, 12:48 Uhr

Allgemeines

Werner Carl Heisenberg wurde am 05.12.1901 in Würzburg geboren. Er lehrte von 1927 bis 1941 in Leipzig und war von 1941-45 Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik in Berlin. Später wurde er Leiter der Max-Planck-Institute in Göttingen und Münche. Heisenberg entwickelte die Quantentheorie, stellte 1927 die Unschärferelation auf und begründete mit Pauli die Quantentheorie der Wellenfelder. Heisenberg arbeitete ferner über Kernphysik und Höhenstrahlung (erkannte u.a.1932 die Protonen und Neutronen als Bausteine der Atomkerne). Er führte Untersuchungen über eine einheitliche Feldtheorie der Elementarteilchen durch und erhielt 1932 den Nobelpreis für Physik.

Quantenmechanik

Die Quantenmechanik befasst sich mit den physikalischen Vorgängen und Gesetzmäßigkeiten im subatomaren Bereich. Der Name rührt daher, dass die Objekte, mit denen sich die Theorie beschäftigt, gequantelt sind. Das heißt, sie kommen nur in bestimmten Mengen (Quantitäten) vor. Für Teilchen (z.B. Elektronen) ist diese Aussage nicht überraschend. Doch seit Max Planck wissen wir, dass auch Wellen (z.B. Licht) quantisiert sind. Die Quanten des Lichtes nennt man Photonen. Quanten sind keine Teilchen im eigentlichen Sinn, obwohl sie aber solche Eigenschaften besitzen.

Ende der 20er Jahre hatte man viele der mathematischen Formeln und Gesetze der Quantenmechanik entdeckt. Seither gewinnt man aus ihnen die exaktesten und erfolgreichsten numerischen Vorhersagen in der Geschichte der Naturwissenschaften. Tatsächlich versteht aber diese Regeln und Formeln niemand wirklich; keiner weiß warum die Verfahren klappen oder was sie im Grunde bedeuten. Das Einzige was klar und eindeutig ist, dass zahlreiche Grundbegriffe die entscheidend für unser Verständnis der vertrauten Alltagswelt sind, jegliche Bedeutung verlieren, wenn wir uns auf mikroskopische Ebenen einlassen. Wir stehen in der Quantenmechanik an derselben Schwelle wie Isaac Newton vor 300 Jahren, als er das Gravitationsgesetz formulierte. Er konnte damals die Auswirkungen der Gravitation berechnen und exakte Vorhersagen treffen, doch konnte er nicht sagen, warum dies so ist.

Welle-Teilchen-Dualismus

Schon zu Newtons Zeiten waren die Physiker sich nicht darüber einig, ob das Licht nun aus Wellen oder aus Teilchen bestehe. Newton selbst sprach vom Licht aber als Teilchenstrom, und seine damalige Autorität reichte aus, die meisten seiner Kollegen zu überzeugen. Doch seit Beginn des 19. Jahrhunderts wurden laufend Experimente durchgeführt, die diese These entweder zu bestätigen oder zu widerlegen schienen. Es kam zu einer regelrechten Krise in der Physik, die sich dadurch bemerkbar machte, dass oft ein und derselbe Universitätsprofessor sowohl die Teilchen- als auch die Wellennatur des Lichts lehrte.

Im Jahre 1905 wies Albert Einstein nach, dass das Licht aus einzelnen Energiepaketen (Lichtquanten; später: Photonen) besteht. Photonen sind masselose Teilchen, die sich nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten können. Jedoch schrieb Louis de Broglie 1924 in seiner Doktorarbeit von der Wellennatur des Elektrons. Dieses hatte bisher stets als Teilchen im klassischen Sinn gegolten, selbst Albert Einstein lobte die Idee von Broglie, welche drei Jahre später experimentell bestätigt wurde. Protonen, Elektronen...worum dreht es sich denn nun wirklich beim Welle-Teilchen-Dualismus? Um eines klarzustellen, Photonen sind masselose Teilchen, welche sich nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Elektronen hingegen besitzen sehr wohl eine Ruhemasse und können sich folglich auch nur langsamer als das Licht bewegen. Diese beiden Teilchen (sowie alle anderen mikroskopischen Objekte) verbindet eine Eigenschaft: der Welle-Teilchen-Dualismus.

Der Welle Teilchen Dualismus besagt schlichtweg, dass ein Quantum Welle und Teilchen sein kann. Wir können zwar Position oder Geschwindigkeit eines Quantums messen, doch das Problem ist, dass durch diese Messung oder Beobachtung bereits Einflußssauf das Teilchen genommen und dadurch das Ergebnis verfälscht wird. Aus diesem Grunde kann in Experimenten nicht der exakte Weg eines Elektrons verfolgt werden, sondern nur aufgrund des Ergebnisses darauf geschlossen werden, ob sich dieses Quantum nun wie eine Welle oder ein Teilchen verhalten hat. Deswegen kann man hier nur von Wahrscheinlichkeiten sprechen, was den Ort und die Geschwindigkeit eines Elektrons betrifft.

Heisenbergs Unschärferelation

In der Welt der Quantenmechanik kann man vieles nicht mit Sicherheit vorbestimmen. Abläufe die in der makroskopischen Welt immer zutreffen werden hier einfach außer Kraft gesetzt. Heisenbergs Unschärferelation befasst sich mit dem Prinzip der Quantenmechanik welches besagt, dass sich Ort und Geschwindigkeit eines Quantums nicht mit allerletzter Genauigkeit ermitteln lassen. Diese unbestimmten Aspekte werden umso gravierender, je kleiner die betrachteten Abstände und Zeitskalen sind. Daraus folgt, dass die mikroskopische Welt eine brodelnde, turbulente Arena ist, ein schäumendes Meer von Quantenfluktuationen, in dem man nur von Wahrscheinlichkeiten sprechen kann. Simpel gesagt: in der Quantenphysik kann man nicht beliebig genau messen.

Quantentunneln

Das Quantentunneln ist ein weiterer Effekt, der aus der Unschärferelation resultiert.

Wenn man eine Plastikkugel gegen eine Betonwand wirft, dann wird sie logischerweise von der Wand abprallen und zurückfliegen. Der Grund ist, dass die Bewegungsenergie der Kugel nicht ausreicht um die Wand zu durchdringen. Doch quantenmechanisch betrachtet sieht dies ganz anders aus. Die Wahrscheinlichkeit besagt, dass winzige Teilchen der Kugel durch die Mauer hindurchschwappen (die Wahrscheinlichkeit jedoch, dass die Kugel die Wand tatsächlich durchdringt ist jedoch mehr als verschwindend gering).

Die Ursache ist wiederum Heisenbergs Unschärferelation, welche besagt, dass die Quantenmechanik einem Teilchen erlaubt, sich genügend Energie zu "borgen" um ein Hindernis zu überwinden, solange es diese Energie in einem bestimmten Zeitrahmen wieder abgibt. Der Grund, warum die Kugel von der Mauer abprallt ist jener, dass sie aus unzählig vielen Teilchen besteht, die alle zu selben Zeit tunneln müssten. Und diese Wahrscheinlichkeit ist mehr als verschwindend gering.

Unvereinbarkeit

Warum lässt sich die Allgemeine Relativitätstheorie nun nicht mit der Quantenmechanik vereinbaren? Der Grund liegt darin, dass die Relativitätstheorie ein glattes, geometrisches Modell der Raumzeit voraussetzt, das durch Gravitationsfelder gekrümmt wird, und daß dies bis in submikroskopische Größen gegeben bleibt. Doch in der Quantenmechanik ist alles Quantenfluktuationen unterworfen - auch ein Gravitationsfeld. Präzise ausgedrückt folgt aus der klassischen Physik, daß der Wert eines Gravitationsfeldes im leeren Raum gleich Null ist. Doch in der Quantenmechanik ist der nur im Durchschnitt Null. Sein tatsächlicher Wert weicht infolge von Quantenfluktuationen nach oben oder unten ab.

In der Praxis macht sich dieser Konflikt sehr konkret bemerkbar. Berechnungen, die die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie mit denen der Quantenmechanik verbinden, liefern uns immer wieder die gleiche absurde Antwort: ein unendliches Ergebnis. Dies teilt uns mit, dass sich nach wie vor ein grundlegender Fehler in einer der beiden, oder vielleicht sogar in beiden Theorien verbirgt.

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