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Was ist Quantenmechanik, Quantenphysik in einfachen Worten verstehen

Allgemein verständliche Einführung in die Quantenphysik

Quantenmechanik (oder Quantenphysik, das ist dasselbe), kann verstanden werden als Abgrenzung zur so genannten klassischen Physik.

Als klassische Physik bezeichnet man alle physikalischen Teilgebiete, Theorien und Methoden, die im Einklang sind mit dem, wie wir Menschen die Welt erfahren und wahrnehmen.

Dies sagt nichts über den Schwierigkeitsgrad aus: Quantenmechanik ist weder einfacher noch schwieriger als klassische Physik, sie ist lediglich andersartig.

Gemeint ist vielmehr, dass die klassische Physik mit den uns Menschen angeborenen bzw. im Kindesalter erlernten Begrifflichkeiten und Vorstellungshilfen vollständig und zutreffend beschrieben werden kann, ohne jemals absurd zu wirken. Quantenmechanik dagegen entzieht sich unseren Vorstellungshilfen fast gänzlich.

Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts war den Menschen lediglich die klassische Physik bekannt. Quantenmechanik als etabliertes Teilgebiet gibt es erst seit ~ 1920.

In der klassischen Physik sind (fast) alle Begrifflichkeiten nicht nur Abstrakta, sondern haben eine reale physikalische Entsprechung, oder zumindest existieren widerspruchsfreie Vorstellungshilfen davon.

Man kann die klassische Physik sozusagen mit der natürlichen menschlichen Begriffswelt erschöpfend beschreiben.


Beispiele:

1.

Das Vorhandensein der Schwerkraft mit all ihren Konsequenzen ist in uns Menschen so tief verankert, dass wir sie als "logisch" empfinden und sie gar nicht mehr hinterfragen. Die Auswirkungen der Schwerkraft scheinen uns angeboren. 

Wir glauben zwar intuitiv, dass z.B. die Fallgeschwindigkeit von der Masse (~"Gewicht") des fallenden Körpers abhängt, aber selbst wenn wir herausfinden, dass das gar nicht zutrifft, dann werden wir auch das relativ schnell verstehen.

Dieser Erkenntnisschritt baut einfach auf der angeborenen Verstehenswelt auf, er ist schlichtweg eine Erweiterung derselben.

Es ist so, als ob man in eine unbekannte Gegend reist; alles sieht irgendwie anders aus, wir lernen dazu, aber es passt zu dem was wir schon kennen.


2.

Elektrizität.

Uns Menschen ist dies von Geburt an fremd. Elektrizität, bzw. ihre Phänomene, wird in modernen Gesellschaften ab dem Kindesalter dazugelernt.

Die Vorstellung von kleinen Teilchen (Elektronen), die durch ein Metallgitter wandern und dadurch Ladung transportieren, setzt zwar einen längeren Lernprozess voraus, fügt sich aber ohne weiteres in unsere Vorstellungswelt ein. Da gibt es nichts, was nicht erklärbar oder gar absurd wäre.


Gegenbeispiele:


3.

Lokalität.

Wenn an einem Ort A eine Ursache geschieht, und als Folge davon am Ort B eine Wirkung, dann muss es zwischen A und B irgend eine Art der Übertragung geben. Insbesondere muss es einen Zeitverzug geben, da die Wirkung nicht gleichzeitig mit der Ursache eintreten kann.

Mit Kenntnis der Lichtgeschwindigkeit als schnellste theoretisch mögliche Ausbreitungsgeschwindigkeit wird dies zwar im wahrsten Sinne des Wortes "relativiert" und unsere Vorstellungskraft schon ziemlich strapaziert, aber "absurd" erscheint es uns deswegen noch nicht.


Und damit ist bereits eine Brücke zur Quantenmechanik gebaut: Quantenmechanik ist nämlich Nicht-Lokal:

Scheinbar können Ursachen ohne jede Übertragung in unendlich kurzer Zeit über beliebig grosse Entfernungen Wirkungen erzeugen.
Das ist mit unseren angeborenen Begrifflichkeiten bereits nicht mehr erklärbar, und scheint sogar der Relativitätstheorie zu widersprechen (tut es nicht). 

4.
In manchen Zeichentrickfilmen verschwindet die Maus in einer Schublade eines Schrankes, um kurz danach aus einer Tasche herauszuhüpfen, die ganz woanders steht. Das Ganze etwas physikalischer beschrieben:

Man kann nicht eine Metallkugel von einem Raum gleichzeitig durch zwei Türen in einen anderen Raum tragen.

Hinreichend kleine Teilchen dagegen können durchaus gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten sein.


Man kann nicht von einem Raum in den nächsten gehen, ohne durch eine Verbindungstür o.Ä. gegangen zu sein.

Hinreichend kleine Teilchen dagegen brauchen keinen Weg zu überwinden, um von A nach B zu gelangen. 


3. und besonders 4. erscheinen uns absurd und widersprüchlich.
Doch genau diese, und noch weitere "absurde" Dinge, sind in der Quantenmechanik ganz normal. 

Als die Physiker in immer kleinere Dimensionen vorgedrungen sind, wurden sie ab Ende des 19. Jahrhunderts immer mehr mit quantenmechanischen Effekten konfrontiert. Es hat mehrere Jahrzehnte gedauert, die Theorie "Quantenmechanik" zu entwickeln, da dies gleichzeitig die Entwicklung von neuartigen  Begrifflichkeiten und Vorstellungshilfen erforderte.
Insbesondere haben "Dinge" in der Quantenmechanik zunächst einmal keine reale physikalische Entsprechung, sondern sind reine mathematische Abstrakta.
Eigens für die Quantenmechanik wurden sogar bis dato unbekannte mathematische Werkzeuge erschaffen. 

Beispielsweise ist ein Teilchen in der Quantenmechanik zunächst ein abstraktes mathematisches Objekt ohne eine Entsprechung in der mit unseren Begrifflichkeiten zugänglichen Welt. Erst wenn man dieses Objekt mit einem weiteren mathematischen nicht minder abstrakten Objekt verknüpft, dann entsteht daraus entweder ein Teilchen oder eine Welle, also ein Begriff und ein Objekt, unter dem wir uns konkret etwas vorstellen können.
Diese Verknüpfung nennt man "Messprozess", und auch darunter können wir uns etwas vorstellen.


Quantenmechanik ist ein eigenständiges Teilgebiet der Physik, spielt aber auch in mehreren Teilgebieten der klassischen Physik eine wesentliche Rolle, und zwar umso mehr, je kleiner die physikalisch betrachteten Dimensionen sind.

Die grössten Dimensionen, in denen quantenmechanische Effekte "merklich" in Erscheinung treten, sind sehr grosse Moleküle.


Die folgenden Beispiele sind der Grösse ihrer Dimensionen nach geordnet; grösste zuerst. Die "Stärke" der quantenmechanischen Effekte nimmt mit kleiner werdenden Dimensionen zu:


1. Chemische Bindungen bei grossen Molekülen, z.B. Chlorophyll, Hämoglobin

2. Chemische Bindungen bei kleinen Molekülen, z.B. Wasser, Alkohol

3. Bindungskräfte innerhalb einzelner Atome: Bindung der Elektronen an die Atomkerne

4. Bindungskräfte innerhalb von Atomkernen: Bindung der Protonen und Neutronen

5. Bindungskräfte innerhalb der Kernbausteine, also Protonen und Neutronen, demnach Bindungen zwischen so genannter Quarks.

In die letzte Grössenordnung fällt auch das so genannte Higgs Teilchen.


Während sich 1. und 2. auch ohne Quantenmechanik noch ziemlich gut verstehen lassen, "dominieren" quantenmechanische Effekte bereits bei 3.
4. und 5. kann man ohne Quantenmechanik dagegen kaum mehr zutreffend beschreiben (Bei 5. kommen eigentlich ganz andere Theorien zum Einsatz, aber das führt hier viel zu weit).

Wenn man einmal begriffen hat, dass die Welt im Kleinen nicht so funktioniert wie wir sie im Grossen zu kennen glauben, weil sie uns eben nur im Grossen angeboren ist (und uns im normalen Leben durchweg nur als etwas Grosses begegnet), dann kann man sich auch an die scheinbaren "Absurditäten" gewöhnen.
Absurd wird es ja erst dadurch, indem man die im Kleinen gültigen Gesetze in grossen Dimensionen zu veranschaulichen versucht.
Die Quantenmechanik ist experimentell bestens abgesichert, ihre "absurden" Folgen zweifelsfrei als real bewiesen, dass man eigentlich nicht mehr von einer "Theorie" sprechen müsste.
Innerhalb der Physik und unter Physikern stellt das alles kein Problem dar. Nicht dass sie es "verstanden" hätten, aber sie gehen damit wie selbstverständlich um.
Der oben skizzierte Messprozess stellt für einige Philosophen sogar heute noch ein Problem dar, aber die damit verbundenen Interpretationen spielen in der Wissenschaft keine Rolle (Philosophie ist keine Wissenschaft).

An Universitäten wird Quantenmechanik abweichend von der historischen Entwicklung gelehrt.
Man kann den Zugang als axiomatisch bezeichnen: Zuerst wird der mathematische Formalismus verinnerlicht.
Danach ist man in der Lage, quantenmechanische Experimente durchzuführen, zu erklären, und schliesslich Ergebnisse vorherzusagen.
Indem man dies oft genug wiederholt, wird aus dem "Erklären" allmählich ein "Verstehen". 
Man wird quasi wieder zum Kleinkind, das die Welt zu erkunden versucht, nur sind die Erkundungswerkzeuge viel komplizierter.

Es ist auch nicht so, dass es hinsichtlich räumlicher Dimensionen eine Grenze gäbe, ab der quantenmechanische Gesetze gelten und klassische physikalische Gesetze nicht mehr. Zwischen beiden besteht vielmehr ein "Übergangsgebiet", das zuvor mit den Punkten 1 bis 5 versucht wurde zu skizzieren.

Die Gesetze der klassischen Physik sind eine (extrem perfekte) Näherung der quantenmechanischen Gesetze für grosse Dimensionen. Diese Aussage ist nicht nur eine didaktische Erklärungshilfe, sondern physikalisch richtig und kann anhand vieler Beispiele explizit gezeigt werden.

Alltagsrelevante Beispiele, in denen Quantenmechanik in Erscheinung tritt:
- Alles mit Laserstrahlen. Z.B. CD /DVD Spieler.

Weiterführende Stichworte als Einstiegshilfen:

"EPR Paradoxon": Einstein, Podolski und Rosen wollten zeigen, dass die Quantenmechanik -vereinfacht gesagt- nicht ganz richtig kann. Dieses Paradoxon ist ein Gedankenexperiment mit gewissen Konsequenzen, die den drei Herren völlig absurd erschienen. Stand heute ist die Realität dieser absurden Konsequenzen jedoch endgültig bewiesen.
"Doppelspalt Experiment": Teilchen sind scheinbar an 2 Orten gleichzeitig.

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