Die Quantenmechanik oder Quantenphysik ist eine Reihe wissenschaftlicher Gesetze, die das seltsame Verhalten von Photonen, Elektronen und anderen subatomaren Teilchen beschreiben, aus denen das Universum besteht. Auf kleinster Ebene verhält sich das Universum ganz anders als die alltägliche Welt, die wir um uns herum beobachten. Die Quantenmechanik ist der Zweig der Physik, der dieses seltsame Verhalten mikroskopischer Teilchen – Atome, Elektronen, Photonen und fast alles andere im molekularen und submolekularen Bereich – beschreibt.
Die Ergebnisse der Quantenmechanik, die in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde, sind oft äußerst seltsam und kontraintuitiv. Ihre Erforschung hat es den Physikern jedoch ermöglicht, ein tieferes Verständnis der Natur des Universums zu gewinnen und könnte eines Tages die Art und Weise verändern, wie wir Menschen Informationen verarbeiten. Live Science hat die wichtigsten Schlüsselkonzepte der Quantenphysik vorgestellt.
Wie unterscheidet sich die Quantenmechanik von der klassischen Physik?
Auf der Ebene von Atomen und Elektronen sind viele Gleichungen der klassischen Mechanik, die die Bewegung und Wechselwirkung von Körpern bei normaler Größe und Geschwindigkeit beschreiben, nicht mehr nützlich.
In der klassischen Mechanik existieren Objekte zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort. In der Quantenmechanik existieren Objekte in einem Nebel der Wahrscheinlichkeit; Sie haben eine gewisse Chance, an Punkt A zu sein, eine andere Chance, an Punkt B zu sein, und so weiter.
Anders als Albert Einsteins berühmte Relativitätstheorie, die etwa zur gleichen Zeit entwickelt wurde, können die Ursprünge der Quantenmechanik nicht einem einzelnen Wissenschaftler zugeschrieben werden. Vielmehr haben mehrere Wissenschaftler zu diesem Rahmenwerk beigetragen, das zwischen dem späten 19. Jahrhundert und 1930 nach und nach Akzeptanz und experimentelle Bestätigung fand, heißt es an der University of St. Andrews in Schottland.
Im Jahr 1900 versuchte der deutsche Physiker Max Planck zu erklären, warum Objekte bei bestimmten Temperaturen, beispielsweise der Glühfaden einer Glühbirne bei 800 Grad Celsius, in einer bestimmten Farbe leuchten – in diesem Fall Rot, so das Perimeter Institute. Planck erkannte, dass die Gleichungen, die der Physiker Ludwig Boltzmann zur Beschreibung des Verhaltens von Gasen verwendete, in eine Erklärung dieser Beziehung zwischen Temperatur und Farbe übersetzt werden konnten. Das Problem bestand darin, dass Boltzmanns Arbeit auf der Tatsache beruhte, dass jedes Gas aus winzigen Partikeln besteht, was bedeutet, dass auch Licht aus diskreten Teilchen besteht.
Diese Idee widersprach den damaligen Vorstellungen über Licht, da die meisten Physiker glaubten, dass Licht eine kontinuierliche Welle und kein winziges Teilchen sei. Planck selbst glaubte nicht an Atome oder einzelne Lichtteilchen, doch sein Konzept erhielt 1905 Unterstützung, als Einstein eine Abhandlung mit dem Titel „Zur heuristischen Betrachtung der Emission und Transformation des Lichts“ veröffentlichte.
Einstein stellte sich die Bewegung des Lichts nicht als Welle vor, sondern als eine Art „Energiequanten“. Dieses Energiepaket, so Einstein in seiner Abhandlung, könne „nur als Ganzes absorbiert oder erzeugt werden“, und zwar, wenn das Atom zwischen quantisierten Schwingungsgeschwindigkeiten „springt“. Daher kommt der „Quanten“-Teil der Quantenmechanik.
Mit dieser neuen Art, Licht zu verstehen, bot Einstein in seiner Arbeit Einblicke in das Verhalten von neun Phänomenen, darunter die spezifischen Farben, die Planck als vom Glühfaden einer Glühbirne ausgestrahlt beschrieb. Er erklärte auch, wie bestimmte Lichtfarben Elektronen von Metalloberflächen abschlagen können, ein Phänomen, das als photoelektrischer Effekt bekannt ist.
Welle-Teilchen-Dualität
In der Quantenmechanik können Teilchen manchmal als Wellen und manchmal als Teilchen existieren. Das bekannteste Beispiel hierfür ist das Doppelspaltexperiment, bei dem Teilchen wie Elektronen auf eine Platte mit zwei Schlitzen geschossen werden, hinter denen sich ein Schirm befindet, der aufleuchtet, wenn ein Elektron auf ihn trifft. Wären die Elektronen Teilchen, würden sie dort, wo sie nach dem Passieren des einen oder anderen Schlitzes auf den Schirm treffen, zwei helle Linien erzeugen, heißt es in einem populären Artikel in Nature.
Unten sehen Sie ein Diagramm eines Doppelspaltexperiments, bei dem Elektronen mithilfe zweier Spalte ein Wellenmuster erzeugen. grayjay, Shutterstock
Stattdessen entsteht bei der Durchführung des Experiments ein Interferenzmuster auf dem Bildschirm. Dieses Muster aus dunklen und hellen Bändern ergibt nur dann einen Sinn, wenn es sich bei den Elektronen um Wellen mit Wellenbergen (Höhepunkte) und Wellentälern (Tiefpunkte) handelt, die miteinander interferieren können. Selbst wenn jeweils nur ein einzelnes Elektron durch die Schlitze geleitet wird, erscheint ein Interferenzmuster – ein Effekt, der der Interferenz eines einzelnen Elektrons mit sich selbst ähnelt.
Im Jahr 1924 verwendete der französische Physiker Louis de Broglie die Gleichungen von Einsteins spezieller Relativitätstheorie, um zu zeigen, dass Teilchen wellenartige Eigenschaften und Wellen korpuskulare Eigenschaften aufweisen können – eine Entdeckung, für die er einige Jahre später den Nobelpreis erhielt.
Atome in der Quantenmechanik
In den 1910er Jahren versuchte der dänische Physiker Niels Bohr, die innere Struktur von Atomen mithilfe der Quantenmechanik zu beschreiben. Zu diesem Zeitpunkt war bereits bekannt, dass ein Atom aus einem schweren, dichten, positiv geladenen Kern besteht, der von einem Schwarm winziger, leichter, negativ geladener Elektronen umgeben ist. Bohr platzierte Elektronen in Umlaufbahnen um den Kern, wie Planeten in einem subatomaren Sonnensystem, mit der Ausnahme, dass sie nur bestimmte vorgegebene Umlaufbahnabstände haben konnten. Durch den Sprung von einer Umlaufbahn zur anderen könnte ein Atom Strahlung mit bestimmten Energien empfangen oder emittieren, die seine Quantennatur widerspiegeln.
Bald darauf erstellten die beiden Wissenschaftler, die unabhängig voneinander arbeiteten und unterschiedliche mathematische Denkstränge nutzten, ein vollständigeres Quantenbild des Atoms, so die American Physical Society. In Deutschland gelang dies dem Physiker Werner Heisenberg durch die Entwicklung der „Matrizenmechanik“. Der österreichisch-irische Physiker Erwin Schrödinger entwickelte eine ähnliche Theorie namens „Wellenmechanik“. Im Jahr 1926 zeigte Schrödinger, dass diese beiden Ansätze gleichwertig waren.
Das Heisenberg-Schrödinger-Atommodell, in dem jedes Elektron als Welle um den Atomkern wirkt, ersetzte das frühere Bohr-Modell. Im Heisenberg-Schrödinger-Atommodell gehorchen Elektronen einer „Wellenfunktion“ und besetzen „Orbitale“ statt Umlaufbahnen. Anders als die Kreisbahnen des Bohr-Modells gibt es Atomorbitale in einer Vielzahl von Formen, von Kugeln über Hanteln bis hin zu Gänseblümchen, heißt es auf der erklärenden Website des Chemikers Jim Clark.
Schrödingers Katzenparadoxon
Schrödingers Katze ist ein häufig missverstandenes Gedankenexperiment, das die Zweifel beschreibt, die einige der frühen Entwickler der Quantenmechanik hinsichtlich ihrer Ergebnisse hatten. Während Bohr und viele seiner Studenten glaubten, dass die Quantenmechanik darauf schließen lässt, dass Teilchen keine klar definierten Eigenschaften haben, bis sie beobachtet werden, konnten Schrödinger und Einstein an eine solche Möglichkeit nicht glauben, weil sie zu absurden Schlussfolgerungen über die Natur der Realität führen würde.
Im Jahr 1935 schlug Schrödinger ein Experiment vor, bei dem Leben oder Tod einer Katze von der zufälligen Drehung eines Quantenteilchens abhängen würden, dessen Zustand unsichtbar bliebe, bis die Schachtel geöffnet würde. Schrödinger hoffte, die Absurdität von Bohrs Ideen anhand eines Beispiels aus dem wirklichen Leben zu demonstrieren, das auf der Wahrscheinlichkeitsnatur eines Quantenteilchens beruhte, aber ein bedeutungsloses Ergebnis lieferte.
Nach Bohrs Interpretation der Quantenmechanik befand sich die Katze bis zum Öffnen der Kiste in einer unmöglichen Doppelposition: Sie war gleichzeitig lebendig und tot. (Keine echte Katze wurde jemals einem solchen Experiment unterzogen.) Sowohl Schrödinger als auch Einstein glaubten, dass dies dazu beitrug, zu zeigen, dass die Quantenmechanik eine unvollständige Theorie war und schließlich durch eine Theorie ersetzt werden würde, die mit der alltäglichen Erfahrung übereinstimmte.
Noch heute tun sich Physiker schwer damit, zu erklären, warum subatomare Teilchen offenbar in einer Überlagerung verschiedener Zustände existieren können, große Strukturen – wie das Universum selbst – dies jedoch offenbar nicht können. Vorgeschlagene Modifikationen der Schrödingergleichungen könnten zur Lösung dieses Konflikts beitragen, doch bisher hat keine dieser Modifikationen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft breite Akzeptanz gefunden.
Quantenverschränkung
Schrödinger und Einstein trugen dazu bei, ein weiteres seltsames Ergebnis der Quantenmechanik hervorzuheben, das keiner von ihnen vollständig verstehen konnte. Im Jahr 1935 zeigte Einstein zusammen mit den Physikern Boris Podolsky und Nathan Rosen, dass zwei Quantenteilchen so abgestimmt werden können, dass ihre Quantenzustände immer miteinander korrelieren, heißt es in der Stanford Encyclopedia of Philosophy. Im Grunde wussten die Teilchen schon immer über die Eigenschaften der anderen Bescheid. Das bedeutet, dass die Messung des Zustands eines Teilchens sofort Aufschluss über den Zustand seines Zwillings gibt, unabhängig davon, wie weit die beiden voneinander entfernt sind. Einstein bezeichnete dieses Ergebnis als „spukhafte Fernwirkung“, Schrödinger hingegen schon bald als „Verschränkung“.
Konzeptkunstwerk eines Paars verschränkter Quantenteilchen oder -ereignisse (links und rechts), die über eine Distanz interagieren. Die Quantenverschränkung ist eine der Konsequenzen der Quantentheorie. Die beiden Teilchen scheinen durch Raum und Zeit miteinander verbunden zu sein, wobei Änderungen an einem Teilchen (wie etwa eine Beobachtung oder Messung) Auswirkungen auf das andere haben. Dieser sofortige Effekt scheint unabhängig von Raum und Zeit zu sein, was bedeutet, dass im Quantenbereich die Wirkung der Ursache vorausgehen kann. MARK GARLICK/BIBLIOTHEK FÜR WISSENSCHAFTSFOTOGRAFIE
Es hat sich gezeigt, dass Verschränkung einer der grundlegendsten Aspekte der Quantenmechanik ist und in der realen Welt ständig auftritt. Forscher führen häufig Experimente mit Quantenverschränkung durch, und das Phänomen bildet eine Grundlage für das aufstrebende Gebiet des Quantencomputings.
Quantencomputing
Im Gegensatz zu klassischen Computern, die Daten mithilfe von Binärbits verarbeiten, die einen von zwei Zuständen – 0 oder 1 – haben können, verwenden Quantencomputer Teilchen wie Elektronen oder Photonen. Diese Quantenbits oder Qubits sind eine Überlagerung von 0 und 1 – das heißt, sie können in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren.
Foto eines goldenen Quantencomputers. John D/Getty
Diese Überlagerung ermöglicht es Quantencomputern, Berechnungen parallel durchzuführen und alle Qubit-Zustände gleichzeitig zu verarbeiten. Darüber hinaus ermöglicht die Quantenverschränkung mehreren Qubits, gleichzeitig Informationen auszutauschen und zu interagieren, unabhängig von der Entfernung zwischen den Teilchen.
Siehe auch... Neue Methode zur Beobachtung einzelner Atome bestätigt jahrhundertealte quantenmechanische Theorie |
Obwohl Quantensuperposition und -verschränkung das Rechenpotenzial von Quantencomputern deutlich größer machen als das von klassischen Computern, ist es auf diesem Gebiet noch ein weiter Weg. Derzeit sind Quantencomputer zu klein, zu schwierig zu warten und zu fehleranfällig, um mit den besten klassischen Computern konkurrieren zu können. Viele Experten gehen jedoch davon aus, dass sich dies im Zuge der Weiterentwicklung des Fachgebiets eines Tages ändern wird.
Quantenmechanik und Allgemeine Relativitätstheorie
Derzeit verfügen Physiker nicht über eine vollständige Erklärung aller beobachteten Teilchen und Kräfte im Universum, die oft als Theorie von allem bezeichnet wird. Einsteins Relativitätstheorie beschreibt große und massive Dinge, während die Quantenmechanik kleine und immaterielle Dinge beschreibt. Diese beiden Theorien sind nicht völlig unvereinbar, aber niemand weiß, wie man sie miteinander in Einklang bringen kann.
Ein Bild des „Einstein-Rings“, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop. Dieses kosmische Phänomen tritt auf, wenn die enorme Schwerkraft eines Vordergrundobjekts das Licht eines Hintergrundobjekts krümmt, wie von Albert Einstein vorhergesagt. ESA/Hubble/NASA
Viele Forscher haben versucht, eine Theorie der Quantengravitation zu entwickeln, die die Gravitation in die Quantenmechanik einführen und alles vom subatomaren bis zum supergalaktischen Bereich erklären würde. Hierzu gibt es zahlreiche Vorschläge, wie man dies erreichen könnte, beispielsweise die Entwicklung eines hypothetischen Quantenteilchens für die Schwerkraft, das Graviton genannt wird. Bisher konnte jedoch keine Theorie alle Beobachtungen von Objekten in unserem Universum erklären. Ein weiterer populärer Vorschlag, die Stringtheorie, die davon ausgeht, dass die meisten fundamentalen Entitäten winzige, in vielen Dimensionen vibrierende Saiten sind, wird von Physikern weniger akzeptiert, da es kaum Belege für ihre Untermauerung gibt. Andere Forscher haben auch an Theorien zur Schleifenquantengravitation gearbeitet, bei der sowohl Zeit als auch Raum in diskreten, winzigen Fragmenten existieren. Bisher hat jedoch keine dieser Ideen in der Physikergemeinde großen Anklang gefunden.
Siehe auch... Vollständige Liste der HTML/Javascript-Ereignishandler mit Beispielen Liste der erforderlichen Dokumente für eine Website in der Russischen Föderation |
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