In diesem Beitrag werden wir auf die Einführung in die Quantenphysik – leicht verständlich eingehen.
Kurz gesagt, ist es die Physik, die erklärt, wie alles funktioniert. Mithilfe der Quantenphysik können wir die Natur der Teilchen, aus denen die Materie besteht, und die Kräfte, mit denen sie interagieren, am besten beschreiben.
Die Quantenphysik ist die Grundlage dafür, wie Atome funktionieren und warum Chemie und Biologie so funktionieren, wie sie funktionieren. Wenn man erklären möchten, wie sich Elektronen in Computerchips bewegen, wie Photonen in einem Solarpanel in Elektrizität umgewandelt oder in Lasern verstärkt werden, muss die Quantenphysik angewendet werden. Auch bei einfachen Sachverhalten, wie beispielsweise der Frage, weshalb die Sonne weiterbrennt, muss die Quantenphysik zur Erklärung herangezogen werden.
An diesem Punkt beginnen jedoch bereits die ersten Schwierigkeiten, denn zunächst einmal gibt es keine einheitliche Quantentheorie. Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und andere entwickelten in den 1920er Jahren die Quantenmechanik, die das grundlegende mathematische Gerüst darstellt, auf dem alles basiert. Es beschreibt einfache Dinge wie beispielsweise den Sachverhalt wie sich Position oder Impuls eines einzelnen Teilchens oder einer Gruppe von wenigen Teilchen im Laufe der Zeit ändert. Um jedoch zu verstehen, wie die Dinge in der realen Welt funktionieren, muss die Quantenmechanik mit anderen Elementen der Physik kombiniert werden. Die bekannteste ist Albert Einsteins Relativitätstheorie. Diese erklärt, wie sich bestimmte Dinge verhalten, wenn sich diese sehr schnell bewegen. Außerdem diente diese zugleich als Grundlage bei der Erstellung der sogenannten Quantenfeldtheorie.
Drei verschiedene Quantenfeldtheorien befassen sich mit drei der vier fundamentalen Kräfte, durch die Materie interagiert. Während Elektromagnetismus erklärt, wie Atome zusammengehalten werden, erklärt die starke Kernkraft die Stabilität des Kerns im Herzen eines Atoms. Die schwache Kernkraft bzw. schwache Wechselwirkung hingegen erklärt, weshalb einige Atome einen radioaktiven Zerfall erfahren.
In den letzten fünfzig Jahren wurden diese drei Theorien als Standardmodell der Teilchenphysik in einer zerfallenden Allianz bezeichnet. Obwohl der Eindruck besteht, dass dieses Modell ein wenig mit Klebeband zusammengehalten wird, ist es das am genauesten getestete Bild der grundlegenden Funktionsweise von Materie, das je entwickelt wurde. Seinen krönenden Abschluss fand es 2012 mit der Entdeckung des Higgs-Bosons bzw. Higgs-Teilchens. Die Existenz dieses Teilchens, das allen anderen Elementarteilchen ihre Masse verleiht, wurde bereits 1964 auf der Grundlage von Quantenfeldtheorien vorhergesagt.
Herkömmliche Quantenfeldtheorien funktionieren gut, wenn es darum geht, die Ergebnisse von Experimenten an Hochenergie-Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider am europäischen Kernforschungszentrum CERN zu beschreiben, wo das Higgs entdeckt wurde, und die Materie in ihren kleinsten Maßstäben untersucht werden. Aber wenn man verstehen will, wie die Dinge in vielen weniger esoterischen Situationen funktionieren, werden die Dinge meist noch komplexer. Hierzu zählt beispielsweise Betrachtung, ob und wie sich Elektronen durch ein festes Material bewegen und ob so ein Material zu einem Metall, einem Isolator oder einem Halbleiter wird.
Die zahlreichen Wechselwirkungen in diesen überfüllten Umgebungen erfordern die Entwicklung von effektiven Feldtheorien. Die Schwierigkeit, solche Theorien zu konstruieren, ist der Grund, warum viele wichtige Fragen in der Festkörperphysik ungelöst bleiben. Hierzu zählt beispielsweise die Frage, warum einige Materialien bei tiefen Temperaturen Supraleiter sind und Strom ohne elektrischen Widerstand zulassen. Oder auch die Frage, weshalb dieser Trick bei Raumtemperatur nicht möglich ist.
Doch hinter all diesen praktischen Problemen verbirgt sich ein riesiges Quantenmysterium. Auf einer grundlegenden Ebene sagt die Quantenphysik sehr seltsame Dinge darüber voraus, wie Materie funktioniert. Zudem stehen diese im völligen Widerspruch dazu, wie die Dinge in der realen Welt zu funktionieren scheinen. Quantenteilchen können sich wie Teilchen verhalten, die sich an einem einzigen Ort befinden. Sie können sich aber auch wie Wellen verhalten, die über den ganzen Raum oder an mehreren Orten gleichzeitig verteilt sind. Wie sie erscheinen, scheint davon abzuhängen, wie wir sie messen wollen. Außerdem scheinen Quantenteilchen keine eindeutigen Eigenschaften vor einer Messung zu besitzen, was wiederum zu einem fundamentalen Rätsel über die Natur der grundlegenden Realität führt.
Diese Unschärfe führt zu scheinbaren Paradoxien wie Schrödingers Katze, bei der dank eines unsicheren Quantenprozesses eine Katze gleichzeitig tot und lebendig ist. Aber das ist noch nicht alles. Quantenteilchen scheinen auch in der Lage zu sein, sich gegenseitig augenblicklich zu beeinflussen, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Dieses wahrhaft verblüffende Phänomen ist als Verschränkung bekannt, oder, in einem von Einstein geprägten Ausdruck, als spukhafte Wirkung auf Distanz.
Solche Quantenkräfte sind uns völlig fremd, bilden aber die Grundlage für aufstrebende Technologien, wie beispielsweise die ultrasichere Quantenkryptografie und das ultraleistungsfähige Quanten-Computing.
Aber was das alles bedeutet, weiß niemand. Einige Leute denken, dass wir einfach akzeptieren müssen, dass die Quantenphysik die materielle Welt in Begriffen erklärt, die wir unmöglich mit unserer Erfahrung aus der klassischen Welt in Einklang bringen können. Andere denken, dass es da draußen eine bessere Theorie geben muss, die wir noch nicht entdeckt haben. Außerdem gibt es eine vierte fundamentale Kraft der Natur, die die Quantentheorie bisher nicht erklären konnte. Diese Kraft ist die Gravitation. Die Gravitation bleibt das Gebiet von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, einer dezidierten Nicht-Quanten-Theorie, die nicht einmal Teilchen einbezieht. Intensive Bemühungen über Jahrzehnte, die Gravitation unter das Dach der Quantentheorie zu bringen und so die gesamte fundamentale Physik innerhalb einer allgemeinen Theorie zu erklären, sind gescheitert.
Inzwischen zeigen kosmologische Messungen, dass über 95 Prozent des Universums aus dunkler Materie und dunkler Energie bestehen. Diese Dinge, für die wir derzeit keine Erklärung innerhalb des Standardmodells haben, sowie Rätsel wie das Ausmaß der Rolle der Quantenphysik in den chaotischen Abläufen des Lebens, bleiben unerklärt. Die Welt ist auf irgendeiner Ebene quantenhaft. Aber ob die Quantenphysik das letzte Wort über die Welt ist, bleibt eine offene Frage.
Schrödingers Katze
Wie bereits festgestellt wurde, stützt sich die Quantenphysik auf zahlreiche Modelle und Theorien, wie beispielsweise das bereits angesprochene Modell von Schrödingers Katze.
Hier wird im Grundaufbau eine Katze genommen und in eine Kiste gesteckt, die mit einem radioaktiven Atom, einem Hammer und einem Fläschchen mit Giftgas bestückt ist. Das Atom zerfällt und löst den Hammer aus, der wiederum das Fläschchen zerbricht, wodurch die Katze erstickt. Es gibt jedoch eine Unsicherheit in diesem Quantenprozess, wodurch nicht garantiert werden kann, ob die Katze auch tatsächlich sterben wird. Diese Unsicherheit ist durch den radioaktiven Zerfall des Atoms gegeben. Radioaktive Zerfälle sind zufällige Prozesse, die von der Quantentheorie beschrieben werden. Also kann nicht gesagt werden, wann einer dieser Fälle eintreten wird und wann nicht. Und die Quantentheorie legt nahe, dass ein Objekt, bevor man es beobachtet oder misst, in einer Superposition aller möglichen Zustände existiert. Somit ist, noch bevor die Schachtel geöffnet wird, das Atom sowohl zerfallen als auch nicht zerfallen und die Katze sowohl tot als auch lebendig, wodurch zwei Möglichkeiten auf einmal eintreten. Für Schrödinger verdeutlichte diese Situation die Absurdität der vorherrschenden Kopenhagener Interpretation der Quantentheorie, die es erlaubt, dass Dinge auf zwei Arten gleichzeitig sein können, bis eine Messung die Mehrdeutigkeit tötet.
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Der Doppelspaltversuch
Ein weiteres interessantes Modell der Quantenphysik ist der Doppelspaltversuch. Dieses Experiment ist zugleich eines der berühmtesten Experimente der Physik und zeigt auf beispiellos seltsame Weise, dass kleine Materieteilchen etwas von einer Welle an sich haben. Zugleich legt es jedoch auch nahe, dass allein der Akt der Beobachtung eines Teilchens einen dramatischen Effekt auf sein Verhalten hat. In diesem Modell muss man sich zunächst eine Wand mit zwei Schlitzen darin vorstellen, auf die Tennisbälle geworfen werden. Einige dieser Bälle werden an der Wand abprallen, aber einige werden auch durch die Schlitze hindurchgehen. Wenn sich hinter der ersten Wand eine weitere Wand befindet, werden die Tennisbälle, die durch die Schlitze geflogen sind, diese treffen. Wenn nun alle Stellen markiert werden würden, an denen ein Ball die zweite Wand getroffen hat, würden zwei Markierungsstreifen sichtbar werden, die der Form der Schlitze ähneln.
Man stelle sich nun vor, dass ein Licht anstatt der Tennisbälle auf die Wand mit den zwei Schlitzen strahlt. Das Licht hat dabei eine einzige Farbe, also eine einzige Wellenlänge. Wenn die Welle beide Schlitze durchläuft, spaltet sich diese in zwei neue Wellen auf. Die beiden neuen Wellen breiten sich wiederum jeweils von einem der beiden Schlitze aus. Im weiteren Verlauf der Wellen interferieren diese dann miteinander. Das bedeutet, dass an manchen Stellen, an denen eine Spitze auf ein Tal trifft, sich die Wellen gegenseitig aufheben, während sich die beiden Wellen an anderen Stellen, an denen die Spitze der einen Welle auf Spitze der anderen Welle trifft, gegenseitig verstärken werden. An Stellen, an denen sich die Wellen gegenseitig verstärken, entsteht das hellste Licht. Wenn das Licht auf eine zweite Wand trifft, die sich hinter der ersten befindet, wird ein streifenförmiges Muster ersichtlich, das auch als Interferenzmuster bezeichnet wird. Die hellen Streifen im Interferenzmuster kommen dabei von den Wellen, die sich gegenseitig verstärken.
Im weiteren Verlauf des Experimentes wird auf den Quantenbereich eingegangen. Hierzu werden Elektronen auf die Wand mit den zwei Schlitzen geschossen. Beim Schließen einer dieser Schlitze wird festgestellt, dass einige der Elektronen, genau wie die Tennisbälle durch den offenen Schlitz hindurchgehen und auf die zweite Wand treffen. Die Stellen, an denen die Elektronen aufkommen, bilden einen Streifen, der wiederum der Form des Schlitzes in der Wand ähnelt. Bei Öffnung des zweiten Spalts würde man nun, genau wie bei den Tennisbällen, zwei rechteckige Streifen an der zweiten Wand erwarten. Was aber tatsächlich wahrgenommen werden kann, ist etwas ganz anderes. Die Stellen, an denen die Elektronen auftreffen, bauen sich auf und bilden das Interferenzmuster einer Welle nach. Um herauszufinden, wie es sein kann, dass die Elektronen entgegen jeder Erwartung ein Interferenzmuster bilden, könnte man einen Detektor neben den Schlitzen platzieren, um zu sehen, welchen Schlitz ein Elektron durchläuft. Außerdem werden in dieser Modellierung die Elektronen einzeln abgefeuert, um zu verhindern, dass sich diese in ihrer Flugbahn gegenseitig stören. An dieser Stelle folgt jedoch der seltsame Teil des Experiments. Wenn man das tut, dann verwandelt sich das Muster auf dem Detektorschirm in das Teilchenmuster von zwei Streifen und gleicht dem der Tennisbälle. Das Interferenzmuster verschwindet. Merkwürdigerweise sorgt allein der Akt des Hinsehens dafür, dass sich die Elektronen wie Tennisbälle bewegen. Es ist, als ob sie wüssten, dass sie ausspioniert werden, und beschlossen haben, sich nicht dabei erwischen zu lassen.
Im Endeffekt legt uns dieses Experiment nahe, dass das, was wir als Teilchen bezeichnen, auf irgendeine Weise Eigenschaften von Teilchen und Eigenschaften von Wellen in sich vereint. Das ist der berühmte Welle-Teilchen-Dualismus der Quantenmechanik. Es deutet auch darauf hin, dass der Akt des Beobachtens und des Messens eines Quantensystems, eine tiefgreifende Wirkung auf das System hat. Die Frage, wie genau das geschieht, stellt das Messproblem der Quantenmechanik dar.
Nichtlokalität
Auch die Nichtlokalität stellt eine interessante Theorie in der Quantenphysik dar. Sie basiert auf dem Wellencharakter von Quantenobjekten und besagt, dass eine Welle nicht nur an einem bestimmten Ort, sondern über einen großen ausgedehnten Bereich verteilt ist. Aus dem Wellencharakter lässt sich nun interpretieren, dass die Wahrscheinlichkeit besteht, dass ein Quantenobjekt an einem definierten Ort gefunden werden kann. Aus dieser Interpretation lässt sich jedoch auch ableiten, dass es viele Orte gibt, an denen das Quantenobjekt sein kann. Um zu generieren, dass das Quantenobjekt auch gefunden werden kann, muss also zunächst generiert werden, dass die Wahrscheinlichkeit des Aufenthalts an einem anderen Ort verschwindet. Die Nichtlokalität zeigt also, dass die Wahrscheinlichkeit der Entdeckung eines Quantenobjekts ungleich Null war, da das Quantenobjekt dazu beiträgt, dass die ganze Wellenfunktion beeinflusst wird und das Quantenobjekt nicht an einen lokalen Ort gebunden ist, sondern überall sein kann. Da sich diese Nichtlokalität auf mehrere Objekte pauschalisieren lässt, zählt die Theorie der Nichtlokalität zu den Vielteilchentheorien. Außerdem wird bei dieser Gegebenheit auch von verschränkten Zuständen mehrerer Quantenobjekte gesprochen, bei denen die Messung der unterschiedlichen Teilchen durch die Manipulation eines Objektes beeinflusst werden kann.
