Basiswissen

Kleinstmögliche Zustandsänderung: in der sogenannten Quantenphysik gibt es Zustandsänderungen, die man in einer gegebenen Situation (etwa eine bestimmte Atomhülle) nicht beliebig „verfeinern“ kann. Die Änderungen können sozusagen immer nur in Vielfachen eines kleinstmöglichen Päckchens durchgeführt werden. Diese kleinstmöglichen Änderungsmengen nennt man Quanten. Man Planck sprach ursprünglich von Energieelementen^[5], Albert Einstein dann schon 1905 von Elemenentarquanta^[6] im heutigen Sinn.

Definition

In der Physik wird heute, anders als früher^[4], unter Quant ein Objekt verstanden, das durch einen Zustandswechsel in einem System mit diskreten Werten einer physikalischen Größe erzeugt wird^[3]. Quantisierte Größen werden im Rahmen der Quantenmechanik und davon angeregten Teilgebieten der theoretischen Physik wie der Quantenelektrodynamik beschrieben. Quanten können immer nur in bestimmten Portionen dieser physikalischen Größe auftreten, sie sind mithin die Quantelung dieser Größen.

Abgrenzung zum Teilchen

Oft wird mit dem physikalischen Begriff Quant ein Teilchencharakter der betrachteten Größe assoziiert. Dies ist jedoch nur ein Teil der eigentlichen Bedeutung des Begriffs. Ein Beispiel für ein Quant, dem man keinen Teilchencharakter zuschreiben kann, ist das Drehimpulsquant. Siehe auch Teilchen ↗

Abgrenzung zum Quantenobjekt

Ein Quant muss nicht notwendigerweise Teilchencharakter haben. Möchte man sich Quanten jedoch als klassische Teilchen vorstellen führt dies zu ungewöhnlichen Beschreibungen: Quantenobjekte haben einen einzigen festen Aufenthaltsort, sie existerien möglicherweise nicht durchgängig in der Zeit und haben noch weitere ungewöhnliche Eigenschaften. Siehe auch Quantenobjekt ↗

Die digitale Physik mit Zahlenquanten

Die Idee des Quants als nicht mehr weiter stückelbare Zustandsänderung hat in der Mathematik ihre Entsprechnung in Form der ganzen oder natürlichen Zahlen. Die Menge der ganzen Zahlen kennt keine Zwischenzahlen zwischen zwei Nachbarzahlen. Zwischen der natürlichen 2 und der natürlichen Zahl 3 gibt es keine weitere natürliche Zahl. Man spricht hier in der Mathematik auch von Diskretheit. Einen Vorschlag, die gesamte Physik auf ein Rechnen mit diskreten Zahlen zu reduzieren, machte im Jahr 1969 der Computerpioniert Konrad Zuse mit seiner Idee von einem rechnenden Raum^[1]. Der Gedanke wurde später weiter ausgearbeitet^[2] und wird heute angesprochen unter dem Stichwort digitale Physik ↗

Etymologie

Das Wort Quant ist lateinischen Ursprung.

Es geht züruck auf das Fragewort: quantum

Quantum heißt: wie viel, welche Menge?

Qu am Wortanfang steht oft für Fragen:

quod, quid, quantum etc.

Siehe auch Latein ↗

Fußnoten

[1] Konrad Zuse: Rechnender Raum. Braunschweig: Friedrich Vieweg & Sohn. 1969. 70 Seiten. Siehe rechnender raum ↗

[2] Stephen Wolfram, A New Kind of Science. (Wolfram Media, 2002). 1197 Seiten. Siehe auch Zellularautomat ↗

[3] Albert Einstein im Jahr 1905 über Energiequanten: "Es scheint mir nun in der Tat, daß die Beobachtungen über die 'schwarze Strahlung', Photoluminiszenz, die Erzeugung von Kathodenstrahlen durch ultraviolettes Licht und andere die Erzeugung bez. Verwandlung des Lichtes betreffende Erscheinungsgruppen besser verständlich erscheinen unter der Annahme, daß die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raume verteilt sei. Nach der hier ins Auge zu fassenden Annahme ist bei Ausbreitung eines von einem Punkte ausgehenden Lichtstrahles die Energie nicht kontinuierlich auf größer und größer werdende Räume verteilt, sondern es besteht dieselbe aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können." In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607. Dort die Seite 133. Online: http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf

[4] Noch im Jahr 1902 verwendete der Physiker Philipp Lenard das Wort Quant nicht im heutigen Sinn der Quantenphysik sondern zunächst nur als Synonym für eine Mengenangabe. Im Zusammenhang mit dem von ihm untersuchten äußeren lichtelektrischen Effekt schrieb er über den Austritt von Elektronen aus einer Metalloberfläche: "dass dort negative Elektricitätsquanten mit bestimmten Anfangsgeschwindigkeiten in fortschreitende Bewegung versetzt werden, sodass sie aus dem Korper herausfahren können". Das Wort Quant kommt alleine oder in Verbindung mit anderen Worten gut 60 mal in der Veröffentlichung Lenards vor. In: In: Annalen der Physik. Nr. 313, 1902, S. 149–198, doi:10.1002/andp.19023130510: „14. Die in der Zeiteinheit ausgestrahlte Menge ist der wirkenden Lichtintensität proportional.“ Online: https://grundpraktikum.physik.uni-saarland.de/gpalt/Anleitungen/Ergaenzungen/J1_Papers/Photoeffekt%20-%20Lenard_1.pdf

[5] Im Jahr 1900 sprach Max Planck noch von Energieelementen: "Es kommt nun darauf an, die Wahrscheinlichkeit W dafür zu finden, dass die N Resonatoren insgesamt die Schwingungsenergie UN besitzen. Hierzu ist es notwendig, UN nicht als eine stetige, unbeschränkt teilbare, sondern als eine discrete, aus einer ganzen Zahl von endlichen gleichen Teilen zusammengesetzte Größe aufzufassen. Nennen wir einen solchen Teil ein Energieelement E, so ist mithin zu setzen: UN = P·ε, wabei P ein ganze, im allgemeinen grosse Zahl bedeutet, während wir den Wert von E noch dahingestellt sein lassen." In: Max Planck: Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum. In: Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft. Band 2, Nr. 17. Berlin 1900, S. 237–245, doi:10.1002/phbl.19480040404

[6] 1905 verwendete Albert Einstein bereits des Quants zumindest in ähnlicher Form im heutigen Sinn: "wir wollen im folgenden zeigen, daß die von Hrn. Planck gegebene Bestimmung der Elementarquanta von der von ihm aufgestellten Theorie der 'schwarzen Strahlung' bis zu einem gewissen Grade unabhängig ist." In: Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichtspunkt, Annalen der Physik 17, 1905, S. 132 ff.