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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