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Quantenphysik


Prinzipien | Fachwortliste


Einführung


Die Quantenphysik ist ein Weltbild das a) eine Stückelung von Energieübergängen annimmt, b) Teilchen gleichzeitig auch einen wellenhaften Charakter zuschreibt und c) die objektive Existenz einer Außenwelt nicht mehr zwingend voraussetzt.

Historischer Hintergrund


Bis etwa zum Jahr 1900 hatte die Physik ein Weltbild erarbeitet, das man heute die "klassische Physik" nennt: der Stoff der Welt besteht im Wesentlichen aus materiehaften, ausgedehnten Grundbausteinen. Daneben gibt es Wellen, die Kräfte zwischen den Teilchen vermitteln können. Veränderungsprozesse in dieser Welt wurden als kontinuierlich angenommen und mathematisch als stetige Funktionen abgebildet. Das heißt: zwischen zwei Zuständen gibt es immer einen fließenden Übergang mit unendlich vielen Zwischenzuständen: kein Zwischenzustand wird übersprungen oder ist physikalisch verboten. Dieses Weltbild geriet ab 1900 zunehmend unter Druck: die Versuchsergebnisse ließen sich zunehmend nicht mehr entsprechend deuten. Mehr unter klassische Physik ↗

Energie nur in Paketen


Gemäß der Newtonschen Mechanik können Satelliten die Erde in jeder beliebigen Entfernung auf Kreisbahnen umrunden. Je größer der Bahnradius, desto kleiner die Bahngeschwindigkeit. Durch die Wahl einer geeigneten Geschwindigkeit kann man beliebige Bahnradien realisieren. Dieses Bild kann man modellhaft auf gedachte Kreisbahnen von Elektronen um den Atomkern übertragen: je weiter ein Atom vom Kern entfernt ist, desto geringer ist seine Geschwindigkeit. Es gibt keinen Grund anzunehmen, dass bestimmte Geschwindigkeit nicht erlaubt seien. Damit gibt es auch keine "verbotenen" Bahnradien von Elektronen in so einem Atommodell. Aus der Elektronengeschwindigkeit und dem Radius lässt sich dann eine Summe aus kinetischer und potentieller Energie für die Elektronen berechnen. Tatsächlich lieferten aber bereit in den 1910er Jahren Experimente den Befund, dass Atome die mit Elektronenbahnen verbundene Energien nur in bestimmten Paketen aufnehmen und abgeben. Das Fremdwort für paketartig ist: gequantelt. Ein klassisches Experiment dazu ist der Franck-Hertz-Versuch ↗

Wellenartige Teilchen


Für die erlaubten Energiezustände der Elektronen im Atom suchte man einen theoretisches Fundament. Es führte zu Gleichungen, in denen teilchenartige Vorstellungen von Materie mit Rechenmodellen wellenartiger Prozesse verbunden wurde. Bis Ende der 1920er Jahre war deutlich geworden, dass sich Zustandsänderungen von Materie nur exakt vorausberechnen ließen, wenn man mathematische Modelle aus der Welt der Wellen benutzt. Der kanonische Versuch dazu ist das Doppelspaltexperiment ↗

Objektive Außenwelt


Ein wesentliches Fundament der klassischen Physik (bis etwa 1900) war die sogenannte Objektivierbarkeit: was immer man beobachtete konnte man beliebig unabhängig machen vom Beobachter. Insbesondere nahm man an, dass Dinge auch unabhängig von einem möglichen Beobachtungsvorgang existieren und feste Eigenschaften haben. Diese Annahme wurde erstmals in den 1930er Jahren theoretisch in Frage (Einstein-Rosen-Podolsky Paradoxon) gestellt und inzwischen experimentell mehrfach widerlegt. Mehr dazu unter EPR ↗

Alles nur Stochastik


Die volkstümliche Vorstellung eines Naturgesetzes ist die von einer unumstößlich und immer geltenden Regel, die nie verletzt werden kann. Diese Vorstellung trifft auf die Quantenphysik nicht zu: quantenphysikalische Gesetze gegeben immer nur Wahrscheinlichkeiten an, mit denen ein Versuchsergebnis eintreten kann (oder auch nicht). Die Wahrscheinlichkeiten liegen dabei nicht in unserem Wissen begründet sondern die Naturabläufe selbst scheinen zufällig zu sein. Siehe auch Bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation ↗

Was ist Quantenphilosophie?


Das ist der Versuch, die Eigenarten der Quantenphysik sinnvoll in ein umfassenderes Weltbild einzubinden. Im engeren Sinn kann es auch nur das Bemühen stehen, ein in sich geschlossenes aber anschauliches Modell der Quantenphysik zu entwickeln. Mehr dazu unter Quantenphilosophie ↗

Fußnoten




Teilchen- und Wellenphänomene verbinden sich zu neuen Phänomenen. Gunter Heim


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