Quantenphysik

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Die Bornsche RegelWikipedia-logo.png, eine Jahrzehnte alte Grundregel der Physik, wurde erstmals experimentell bestätigt. Alles andere hätte die Quantenmechanik in ihren Grundfesten erschüttert.

Für Lehrer

Für Schüler

Eine einfache Erklärung der Quantenphysik

Die Fragestellung

Wir gehen von der folgenden Fragestellung aus: Wie können wir mit unserer Erkenntnis und mit unseren Aussagen die Wirklichkeit erreichen? – Die Neuzeit antwortet auf diese Frage so: Wir müssen die Wirklichkeit messen, dann entstehen klare, unmissverständliche Aussagen, deren Wahrheitsgehalt jederzeit überprüfbar ist.

An einem Beispiel möchte ich daher zuerst den Vorgang des Messens in allen Details diskutieren. Dann entwickeln wir an einem Gedankenexperiment, was sich ändert, wenn ich Messungen am kleinsten Bestandteil der Welt durchführen will. Diese Einsichten übertragen wir auf die Erforschung des „Haustiers“ der Quantenphysik, des Wasserstoffs. Dabei wird der Begriff eines quantenphysikalischen Zustandes erklärt und was dabei die Mathematik der komplexen Zahlen für eine Rolle spielt. Wir wenden uns dann dem Leistungsspektrum quantenphysikalischer Erklärungen zu mit besonderem Fokus auf die Biologie und wagen uns zuletzt an die Frage heran, was diese Einsichten für unsere menschlichen Erkenntnismöglichkeiten bedeuten.

Eine "klassische" Messung

Vor einiger Zeit – ich bin nicht stolz darauf - bekam ich von der Stadt Grünberg einen Brief, aus dem ich einen Ausschnitt zeige:

Bussgeldbescheid.JPG

Über die Messung, die in diesem Fall durchgeführt worden ist, stehen im Bescheid einige für unser Thema relevante Informationen:

  • Es sind Laserstrahlen hergestellt worden, deren spezifische Eigenschaft, Kohärenz, nur mit Mitteln der Quantenphysik verstanden werden kann.
  • Eine klassische Messgröße, die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs, konnte zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort mit großer Genauigkeit festgestellt werden. Die Lasertechnik erlaubte den Toleranzabzug mit 3 KM/h festzustellen und nicht mit 5 KM/h, die bei RADAR-Messungen abgezogen werden.
  • Man wird kaum damit durchkommen, das Messverfahren anzuzweifeln: Mit der Frage Wie hoch genau ist der Energiebetrag, den die Laserstrahlung meinem Fahrzeug zugeführt hat und wie beeinflusst sie dessen Geschwindigkeit? braucht man dem Gericht erst gar nicht kommen; Im Rahmen der Messgenauigkeit sind die Ergebnisse als korrekt zu betrachten, und dies reicht aus, um das bußgeldpflichtige Vergehen gerichtsfest nachzuweisen.


Wir lernen: Alltägliche Messungen erfüllen ihren Zweck; aber viele Fragen, die ein neugieriger Mensch sich stellen könnte, werden aus pragmatischen Gründen gewöhnlich ausgeklammert.

Ein Gedankenexperiment

Eine Geschwindigkeit, eine Ortsveränderung in der Zeit, gilt als „klassische“ Messgröße, solange man den Einfluss der Messmethode auf das Messresultat vernachlässigt. Weil masselose Lichtteilchen, verglichen mit einem tonnenschweren Auto, sehr wenig Energie transportieren, kann man im Falle einer Verkehrskontrolle mit Recht davon ausgehen, dass die Messmethode die gemessene Geschwindigkeit nur marginal beeinflusst. Die Situation ist also Folgende:

Klassische Messung.jpg

Das Messgerät emittiert Laserstrahlen. Einige davon treffen das Auto, von diesen werden einige zum Gerät reflektiert. Die reflektierten Strahlen können zur Errechnung der Geschwindigkeit des Autos genutzt werden.

Aber die Welt besteht ja nicht nur aus tonnenschweren Objekten, und es gehört zu den neuzeitlichen Ideen der Wissenschaft, dass man durch die Zerlegung der Dinge mehr Erkenntnis gewinnt, maximale Erkenntnis verspräche dann, die Dinge so weit zu zerlegen, dass es nicht mehr weitergeht, das Unteilbare, das Atom, herauszupräparieren, wie sich das schon DemokritWikipedia-logo.png (460-370 v. C.) vorstellte.

Das inspiriert zu dem Gedankenexperiment, sich eine Riesenwelt vorzustellen, in welcher Autos Atome und tonnenschwere Objekte die kleinsten verfügbaren Beobachtungsmittel sind. Jetzt stellt sich die Situation dar wie folgt:

Kanonenmessung.jpg

Eine Messung an einem Auto kommt dadurch zustande, dass es mit einem gleich schweren Objekt beschossen wird.

Nach der Kollision wird nichts mehr sein, wie es war: Kugel und Auto werden sich zu Trümmerteilen verformen, auch ihre Geschwindigkeiten und Aufenthaltsorte werden sich stark verändern. Aus dem, was die Riesen über die Trümmerteile (T) herausfinden können, müssen sie erschließen, was „Auto“ (A) für ein Objekt ist und wie die Kollision (K) sich abgespielt hat. Die Atomtheorie der Riesen wird also in einer an den Formalismus der QuantentheorieWikipedia-logo.png angelehnten Form so aussehen: <T|K|A>.

Eines ist aber klar: Diese Riesen werden mir niemals einen Bußgeldbescheid schicken, denn da für sie Autos unteilbar sind, können sie in ihnen auch keinen Fahrer sehen und identifizieren. Vielleicht könnten sie aber herausfinden, dass das Auto gesteuert wird. Zum Beispiel könnten sie ein Hindernis (H) auf der Straße platzieren und feststellen, dass dann keine Trümmer entstehen, sondern das Auto abgebremst wird oder ausweicht. Also die folgende Situation <A|H|A>:

Gedankenexperiment Hindernis.jpg

Am Hindernis zerschellt das Auto nicht, sondern umfährt es oder bremst ab.

Dem Einfallsreichtum der Riesen sind keine Grenzen gesetzt, sich weitere Experimente auszudenken, um der Natur der Autos auf die Spur zu kommen. Sie werden dann Hindernis und Kanone und anderes zusammenfassen zum Begriff Methoden (M) , ebenfalls die erzielten Resultate (R) und ihre Autotheorie wird so aussehen: <R|M|A>. Zu beginnen ist mit den Resultaten. Aus ihnen kann eine Theorie der Wirkung der Messmethoden auf die atomaren Objekte abgeleitet werden, und nur mit dieser zusammen kann eine Theorie dieser Objekte selbst entwickelt werden. Damit endet unser Ausflug in die Welt der vorgestellten Riesen.

Wir lernen: Kleinstmögliche Objekte kann man nicht mit Mitteln beobachten, deren Wirkung auf diese Objekte vernachlässigt werden dürfte. Insbesondere kann man Atome nicht etikettieren und unter anderen gleichartigen Objekten wiederfinden. Für die neuartige Theoriebildung gibt es eine formalisierte Schreibweise.

Wasserstoff

Das Universalwerkzeug der Quantenphysiker sind Photonen, die Vermittler der elektromagnetischen Kräfte; das ist bei dreien unserer fünf Sinne nicht anders. Aber wir sehen und riechen mithilfe der Photonen. Wir nehmen die Lichtteilchen selbst nicht wahr, und wir reden über die wahrgenommenen Objekte, ohne uns Rechenschaft abzulegen, auf welchem Weg die Objektkenntnis zu uns gekommen ist. Diese Ignoranz können sich Atomforscher nicht leisten. Sie benötigen also eine Theorie des Lichtes, um ermitteln zu können, was sie mithilfe des Lichtes in der atomaren Welt „sehen“. Zwei Elemente der Licht-Theorie werden unten vorausgesetzt: Jedes Lichtteilchen transportiert Energie, und diese ist proportional zu seiner Frequenz und umgekehrt proportional zur Wellenlänge.

Das „Haustier“ der Quantenphysiker ist der Wasserstoff. Antoine Laurent de LavoisierWikipedia-logo.png (1743-1794)hat dem Gas seinen Namen gegeben, Dmitri Iwanowitsch MendelejewWikipedia-logo.png (1834-1907) einen Platz in seinem PeriodensystemWikipedia-logo.png zugewiesen: Ein reaktionsfreudiges Element mit dem leichtesten Atomgewicht von allen.

Da man das Wasserstoffatom (H) ionisieren kann, muss es aus einem positiv geladenen Teil – Proton genannt – und aus einem negativ geladenen – dem Elektron – „bestehen“. Wie sich Proton und Elektron im Wasserstoffatom verhalten, konnte die Quantenphysik aufklären, und das gehört zu ihren brillantesten Leistungen.

Im Folgenden werden einige Aspekte der Theorie qualitativ dargestellt; die Rechenvorschriften werden in Lehrbüchern behandelt, für deren Verstehen die Oberstufenmathematik nicht ausreicht. Doch die mathematischen Elemente der Theorie können im Bild veranschaulicht werden. Aus solchen Abbildungen geht zwar nicht hervor, wie die Physiker darauf gekommen sind, aber man kann damit schon erläutern, was sie meinen.

Um Wasserstoff besser kennen zu lernen, werden wir etwas Gas isolieren, in ein Röhrchen einschließen (W) und von beiden Seiten unter Strom (S) setzen:

Wasserstofflampe.jpg

Prinzip einer Wasserstofflampe

Wenn die Bedingungen stimmen, wird Strom fließen, und das Gas wird Licht abstrahlen, hellviolettes Licht (L). So sieht‘s also aus: <L|S|W>

Wasserstofflampe Prinzip.jpg

Das Prinzip der Wasserstofflampe; es bedeuten: + positive Ladungsträger; - negative Ladungsträger; W Wasserstoffteilchen; ↘ Lichtteilchen

Machen wir uns eine Vorstellung, was im Inneren des Glasröhrchens vor sich geht! Positive Ladungsträger werden zum Minuspol eilen, negative zum Pluspol. Die Wasserstoffatome werden mit den schnell bewegten Ladungsträgern kollidieren; Energie wird ausgetauscht und letzten Endes als Licht abgestrahlt. Weil Ladungsträger und Wasserstoffteilchen aber chaotisch verteilt sind, sollten die einzelnen Stöße der Rempelei unterschiedlich heftig ausfallen, daher sollten die Lichtteilchen, die die Energie wegtransportieren, alle möglichen Frequenzen haben. Wenn wir das Licht dieser Lampe durch ein Prisma fallen lassen, erwarten wir also, dass alle Farben des Spektrums vorkommen wie in einem Regenbogen:

Regenbogen Spektrum.JPG

Kontinuierliches Spektrum (Regenbogen)

Bekanntlich sieht das Spektrum einer Wasserstofflampe aber ganz anders aus:

Wasserstoffspektrum.jpg

Wasserstoffspektrum

Die Wasserstoffatome nehmen chaotisch verteilte Energie auf, geben sie aber in wohlsortierten Portionen wieder ab. Dies muss jede Theorie der atomaren Welt berücksichtigen.

Wir lernen: Bei der Untersuchung atomarer Systeme zeigen sich Ordnungsmuster, die eine Art von Theorie verlangen, die man nicht einfach als Verkleinerung der Theorien bekannter Systeme – zum Beispiel des Sonnensystems – gewinnen kann.

Der quantenphysikalische Begriff des Zustandes

Schauen wir noch einmal auf das Wasserstoffspektrum, diesmal mit den Wellenlängen und Frequenzen des Lichts und der zugeordneten Energie, die das einzelne Photon mitnimmt.

Wasserstoffspektrum mit Messwerten.jpg

Wasserstoffspektrum mit Wellenlängen in Nanometer (nm), Frequenzen in Kiloherz (kHz) und Energie in Elektronenvolt(eV).

Am Wasserstoffatom müssen also Prozesse stattfinden, die einem Photon genau die richtige Energie mitgeben. Solche Prozesse benennen wir als Übergänge zwischen Zuständen. Aufgrund unserer bisherigen Kenntnisse können wir schon einiges über quantenmechanische Zustände – am Beispiel des Elektrons in der Nähe des Protons - sagen, und das lässt sich am leichtesten verstehen, wenn man es mit klassischen Erwartungswerten (Verkleinerung unserer gewohnten Theorien) vergleicht.

Klassische Erwartungen Quantenmechanische Zustände
Körper bewegen sich auf Bahnen, zu jedem Zeitpunkt kann ihnen ein Aufenthaltsort zugewiesen werden. Würde sich ein Elektron auf einer Bahn bewegen, würde es als geladenes Teilchen Energie verlieren. Das stimmt aber nicht.
Durch Energieaufnahme kann die Bahn eines Körpers um einen beliebig kleinen Betrag verändert werden. Die möglichen Zustände des Elektrons sind abzählbar, die bei Übergängen aufgenommene und abgegebene Energie hat feste Werte.
Mehrere Eigenschaften eines Körpers können gleichzeitig oder nacheinander gemessen werden. Geht ein Zustand in einen anderen über, wird er irreversibel zerstört; außer der Information, die das Experiment liefert, kann man über den zerstörten Zustand nichts mehr herausfinden. Man kann auch Objekten keine „Etiketten“ aufkleben, um nacheinander verschiedene Messungen mit ihnen durchzuführen.

Wie sehen nun die Zustände aus, in denen das Wasserstoffatom vorliegen kann? Die Theoretiker ordnen ihnen Kennzahlen zu, die mit den Buchstaben (s,p,d) bezeichnet werden, was nichts Politisches aussagt. Diese Kennzahlen haben sich als nützlich erwiesen, um das Periodensystem der Elemente zu strukturieren. Für uns entscheidend ist nur, dass die Zustände abzählbar sind; man kann jedem eine natürliche Zahl zuordnen; etwaige Bruchzahlen zwischen 1 und 2 haben dann keine physikalische Bedeutung. Zwischenzustände gibt es nicht.

HAtomOrbitals.png

Darstellung der Zustände des Wasserstoffatoms

Ein Wasserstoffatom kann also aus dem Zustand (2,2,0) in den Zustand (2,1,0) zurückfallen und dabei ein Photon mit einer Wellenlänge von 486,1 nm emittieren. Das ist die hübsche türkisblaue Linie im Wasserstoffspektrum. Der Übergang von (2,1,0) nach (1,0,0) ist selbstverständlich auch möglich; aber das dabei emittierte Licht ist zu energiereich, um für unser Auge sichtbar zu sein. Die Universität Karlsruhe vermittelt in ihrem HydrogenLab (siehe Weblinks) Bilder des Wasserstoffatoms, die sehr anschaulich sind.

Wir hatten nach einem Bild gefragt und haben ein eindrucksvolles Bild bekommen. Aber dieses Bild ist die Veranschaulichung einer Theorie und nicht etwas, was eines Menschen Auge je gesehen hätte in der Natur. Die Farbcodierung symbolisiert einen unanschaulichen Zahlenwert, der jedem Ort des Raumes durch eine komplexe Funktion zugewiesen wird. Das nötigt uns zu einem kurzen Ausflug in die Welt der komplexen Zahlen.

Wir lernen: Das Wasserstoffatom kann in verschiedenen abzählbaren Zuständen vorliegen, die sich insofern unterscheiden, als Übergänge von energiereicheren in weniger energiereiche Zustände möglich sind, die sich durch Emission eines Lichtteilchens bemerkbar machen, welches die Energiedifferenz wegträgt. Die Quantentheorie des Wasserstoffatoms erklärt das Wasserstoffspektrum exakt.

Komplexe Zahlen

Früher war es so: 1*1 = 1. Und -1*-1 = 1. Die Wurzel aus 1 könnte also 1 oder -1 sein; eine Wurzel aus -1 ist nicht definiert; der Ausdruck √(-1) ist einfach verboten. Dann kam Carl Friedrich GaußWikipedia-logo.png und sah das nicht mehr ein. Als mächtiger Mathematiker definierte er einfach √(-1) = i und führte die komplexen ZahlenWikipedia-logo.png ein, die die Form haben: a+bi ( a + b√(-1) ). Während normale reellen ZahlenWikipedia-logo.png der Menge R auf einer Geraden darstellbar sind, benötigt man für die grafische Darstellung komplexer Zahlen der Menge C eine Ebene (oder eine Farbcodierung oder ein anderes Symbol für die zusätzliche Dimension)

Diese Erfindung von Gauß macht sich die Quantentheorie zunutze und beschreibt quantenmechanische Zustände mit Vektoren und Funktionen aus komplexen Zahlen. Übergänge und Zusammenhänge zwischen diesen Zuständen sind als Rechenvorschriften definiert. Da das Ergebnis (E) einer Messung aber etwas für uns Feststellbares sein muss, wird es in der Quantentheorie durch die Vorschrift (M) erzielt, die komplexen Zahlen, die den Anfangszustand (A) bezeichnen, ins Quadrat zu setzen. Denn weil √(-1)2 = 1 ist, verschwinden beim Quadrieren einer komplexen Zahl diejenigen Anteile, die unmessbare Größen bezeichnen. Also <E∈R|M|A ∈C>.

In der Farbcodierung der Zustände des Wasserstoffatoms werden also Zahlen symbolisiert, die keiner direkten Beobachtung am System entsprechen, „Aufenthaltswahrscheinlichkeiten“, „Phasen“ und „Amplituden“ genannt. Zusammen mit den Rechenvorschriften erklären sie die Messungen.

Der Zustandsvektor |A> enthält also mehr Information als wir durch Messung festgestellt hatten. Aber das war in der klassischen Physik auch schon so: Wir gehen davon aus, das sich der Mond in jedem Augenblick an der Stelle befindet, die ihm die Bahngleichungen zuweisen. Gegen die Behauptung „Wenn keiner hinschaut, tanzt der Mond“ ist die Physik genauso hilflos wie gegen die Annahme regellosen Verhaltens der Materie jenseits der Grenze der Beobachtbarkeit. Einen Unterschied gibt es doch: Was wir messen sind Meter, Sekunde und Kilogramm, und was wir in der klassischen Physik interpolieren, sind ebenfalls Meter, Sekunde und Kilogramm. Die Dimensionen der Messwerte haben sich in der Quantenphysik nicht geändert; aber die Schlussfolgerungen definieren Größenordnungen, die sich der Wahrnehmung entziehen.

Wir lernen: Durch den mathematischen Kunstgriff, unbeobachtbare Zustände durch komplexe Zahlen zu beschreiben und eine Messung (bei der Information zerstört wird) als Quadrierung, gelingt es der Quantentheorie, die möglichen Messungen mit nie zuvor erreichter Exaktheit in einem einheitlichen Formalismus zu deuten.

Quanteneffekte

Ein wenig leichtfertig wird von „spukhaften“ Wirkungen oder „absurden“ Konsequenzen der Quantentheorie gesprochen. Richtig ist, dass Atome Erwartungen nicht erfüllen, welche die klassische Physik formulierte, indem sie ihre Begriffe unreflektiert auf die kleinsten Partikel der Welt übertrug. Dass das nicht funktioniert, hat schon Immanuel KantWikipedia-logo.png (1724-1804) nachgewiesen in der zweiten Antinomie der reinen Vernunft. Falsch ist aber, dass erst die Quantentheorie Unbestimmtheit in die Naturwissenschaft einführt. Denn in der klassischen Mechanik sind Messresultate grundsätzlich als reelle Zahlen definiert, und reelle Zahlen kann man definitionsgemäß niemals genau bestimmen.

Nicht die atomare Welt ist irritierend, denn eine andere atomare Welt könnten wir gar nicht denken. Unsere Erwartungen waren voreilig. Und erst aus dieser Erwartungshaltung heraus wirken Quanteneffekte seltsam.

Welle-Teilchen-Dualismus

Ein Quantenobjekt ist weder Welle noch Teilchen, aber beide makroskopischen Erscheinungen sind als Analogien gut geeignet, bestimmte Eigenschaften der Quantenobjekte zu veranschaulichen.

Zum Beispiel kann man die Zustände des Elektrons im Wasserstoffatom gut vergleichen mit den Tönen einer Saite: Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften, z.B. ihrer Spannung und ihrer Länge erklingt die Saite eines Klaviers in einem bestimmten Grundton mit einem charakteristischen Obertonspektrum. Ähnlich befindet sich das Elektron entweder in seinem Grundzustand oder in einem angeregten Zustand. Wichtig ist aber auch der Unterschied: denn eine einmal angeschlagene Saite verklingt, weil sie Schallenergie abgibt; ein ungestörtes Elektron bleibt für immer in seinem Zustand und sendet kein Signal.

Kohärenz

Quantensysteme, die man in Ruhe lässt, machen sich in keiner Weise bemerkbar. Sie befinden sich in einem bestimmten Zustand, und mehr ist dazu nicht zu sagen. Solche Quantensysteme nennt man kohärent, denn in ihnen herrschen ausschließlich die Bedingungen, die ihre Zustandsbeschreibung (ihr Zustandsvektor) ihnen zuschreibt. Kohärenz ist sehr empfindlich gegenüber allem, was Energie überträgt (Wärme) und deshalb geeignet ist, Quantenzustände irreversibel zu zerstören.

In der Natur erfolgen ununterbrochen „Messungen“, die die Selbstgenügsamkeit der atomaren Objekte stören. Wenn ich mir zum Beispiel die Farben meines bunten Teppichs ansehe, dann setzt das voraus, dass Licht in den Pigmenten des Teppichs Elektronen aus der Bahn wirft, welche bei ihrer Rückkehr in den vorherigen Zustand wohldefinierte Lichtteilchen aussenden, die wiederum mit den lichtempfindlichen Molekülen meiner Sinneszellen wechselwirken. Bei der Allgegenwart von Licht und Wärme hat man es also in der Regel nicht mit Quantenobjekten in wohldefinierten Zuständen zu tun, und es bedarf schon einer besonderen Präparation, von Quintillionen von Quantenobjekten die Signale zu bekommen, die hinreichend stark sind, dass wir sie wahrnehmen können, und die zugleich Schlüsse auf die Natur der Atome zulassen.

Kohärenz ist keine Frage der metrischen Größe. Die quantenphysikalischen Phänomene der Supraleitung (Stromfluss ohne Widerstand) und Suprafluidität (Flüssigkeit ohne Viskosität) werden am LHC in Genf ausgenutzt, und die supraleitendenden Magnetspulen sind 15 M lang und wiegen 30 Tonnen und werden von suprafluidem Helium gekühlt, das sind recht große kohärente Quantensysteme.

CERN LHC Tunnel1.jpg

Supraleitende, von Superfluidem Helium gekühlte Magnete im Tunnel des LHC in Genf

Tunneleffekt

Der eindrucksvollste Tunneleffekt ist jener, der die Sonne scheinen lässt. Die von der Sonne erzeugte Energie stammt aus der Verschmelzung von Protonen, mit denen wir uns bislang noch nicht näher befasst haben. Protonen sind positiv elektrisch geladen (Symbolfarbe: blau), und gleiche Ladungen stoßen sich ab (Symbol: Stacheln). Auf Protonen und Neutronen wirkt die starke Kernkraft, aber nur auf die extrem kurze Distanz von etwa einem trillionstel Meter; wir stellen sie uns als Lasso vor. Auch die schwache Kernkraft, durch die Protonen in Neutronen verwandelt werden, wirkt nur aus der Nähe; wir stellen sie uns als Werkzeug vor. In der Sonne passiert nun Folgendes:

Protonenverschmelzung.jpg

Zwei Protonen überwinden die gegenseitige Abstoßung. Eines der beiden verliert ein Positron, ein Neutrino und ein Photon, wird zu einem Neutron und wird durch die starke Kernkraft an das andere Proton gebunden. So entsteht Deuterium, das weiterreagiert zu Helium 3 und Helium 4.

Wegen der Abstoßung muss eine erhebliche Aktivierungsenergie aufgewandt werden, damit sich Protonen nahe genug kommen. Wärmeenergie alleine würde erst bei Temperaturen um 150 Millionen Grad dazu ausreichen. Im Inneren der Sonne herrschen aber „nur“ 15 Millionen Grad. Protonen sind aber keine Kugeln; sie werden viel mehr durch einen Zustandsvektor beschrieben, der für jeden Ort eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit definiert. Mit einer geringen Wahrscheinlichkeit geschehen deshalb Reaktionen, für die die Aktivierungsenergie eigentlich nicht ausreicht. Dies ist der quantenmechanische Tunneleffekt, und deshalb leuchtet die Sonne, geht aber mit ihrem Brennstoff sehr sparsam um, so dass sie 10 Milliarden Jahre lang durchhält.

Spin
Verschränkung

Quantenbiologie

Fazit

Mit der Quantentheorie und der RelativitätstheorieWikipedia-logo.png verfügt die heutige Naturwissenschaft über eine Sprache, mit Hilfe derer sie über alles in der Welt reden kann - von den kleinsten Partikeln bis zum Universum als ganzem. Trotzdem wird weiterhin emsig geforscht, werden neue Theorien ent- und wieder verworfen. Was ist denn noch zu klären?

  • Die Beschreibungen der Quantenphysik und diejenigen der allgemeinen Relativitätstheorie passen nicht zusammen. Es gibt keine Quantentheorie der GravitationWikipedia-logo.png, also der Kraft, die auf großen Skalen als einzige das Geschehen bestimmt. Theoretiker und Experimentatoren suchen mit den exotischsten Methoden; aber bislang sind alle Lösungsvorschläge des Problems umstritten.
  • Exakte Lösungen gibt es in der Physik immer nur für die einfachsten Systeme: Die Anziehung zweier Punktmassen; das Wasserstoffatom. Verfahren zur näherungsweisen Beherrschung komplexerer Systeme müssen also stets noch erweitert werden.
  • Schließlich wissen wir, dass die seit längerem bekannten Atombestandteile nicht alle elementar sind: Das Proton hat eine innere Struktur, die bei sehr hohen Kollisionsenergien für verschwindend kurze Zeit aufgebrochen werden kann. Haben Elektronen, Neutrinos und die Quarks als "Teile" der Protonen und Neutronen noch einmal eine innere Struktur? - Niemand vermag das heute zu sagen.

Physik bleibt spannend, gerade in diesen Jahren, in denen durch das LHC eine Reihe von Fragen geklärt werden.

Linkliste

Allgemeines
Isolde-Kurz-Gymnasium Reutlingen: Reichhaltiges Angebot zur "Quantenphysik im Web", das laufend aktualisiert wird: Visualisierung der Quantenmechanik, theoretische Physik mit dem Computer, Modellbildung und Simulation, Unterrichtskonzepte und Fortbildungen.
Dreidimensionale und bewegte Darstellungen verschiedenener Elektronenzustände im Wasserstoffatom.
Die Erschaffer der Quantenmechanik

Literatur

  • Heinrich Mitter: Quantentheorie, Mannheim 1969
  • Gerhard Gerlich: Eine neue Einführung in die statistischen und mathematischen Methoden der Quantentheorie
  • Erwin Bodenstedt: Experimente der Kernphysik und ihre Deutung, 3 Bände, Mannheim 1969-1973
  • Thomas Görnitz: Quanten sind anders. Die verborgene Einheit der Welt, Heidelberg 2008
  • Jim Al-Khalili, Johnjoe McFadden: Der Quantenbeat des Lebens, übers, Sebastian Vogel, Berlin 2015.