Quantenobjekt
Physik
Definition
Als Quantenobjekt bezeichnet man modellhaft angenommene Objekte aus klassisch gedachter Materie, die die beobachteten Quantenphänomene hervorrufen. Das ist hier näher erklärt.
Grundidee eines Quantenobjektes
Quantenphysikalische Experimente produzieren Versuchsergebnisse, die man zunächst als Messwerte auf Anzeigen oder als Zeigerausschläge und ähnliches sieht. Die Dinge, die diese Messergebnisse bewirken sieht man in der Regel nicht. Man kann ein Photon, ein kleines Atom oder ein fliegende Proton nicht sehen. Unsere Vorstellung hat aber das Bedürfnis den beobachteten Messeffekten ein Objekt im Sinne eines klassischen Stückes Materie als Ursache zu unterstellen. Diese unterstellten, also zunächst nur angenommen Objekte sind die Quantenobjekte.
Das Doppelspaltexperiment: existieren Quantenobjekte?
Das sogenannte Doppelspaltexperiment ist das klassische Experiment zur Demonstration von Quantenobjekten. In einer Variante schießt man zum Beispiel Elektronen auf eine Wand mit zwei Öffnungen. Auf der gegenüberliegende Seite der Wand treffen dann manche der Elektronen auf einen Leuchtschirm, wo sie einen Lichtfleck erzeugen. Dieser Lichtfleck ist nicht das Elektron sondern nur eine Wirkung des angenommenen Elektrons. Die Versuchsergebnisse sind nun so, dass keine Möglichkeit besteht, sich das Elektron als ein klassisches Teilchen vorzustellen, das von der Kanone durch eine der Öffnung bis zum Schirm fliegt. Man muss vielmehr annehmen, dass das Elektron entweder gar nicht geflogen ist, durch beide Öffnungen gleichzeitig ging, irgendwoher den gesamten Experimentaufbau kennt oder auf geschwungen Linien mit Überlichtgeschwindigkeit fliegt. Möchte man trotz dieser interpretatorischen Vorstellungen am Denkbild eines realen Elektrons festhalten, so macht man es gedanklich zu eine Quantenobjekt. Man muss sich dabei aber immer bewusst halten, dass ein so gedachtes Objekt sich jeder klassischen Vorstellung von Teilchen entzieht. Siehe mehr dazu unter => Doppelspaltexperiment
Verschränkung: sind Quantenobjekte real?
Man kann experimentell Paare von Teilchen erzeugen, die sich dann über eine längere Zeit hinweg voneinander entfernen. So ließ der österreichische Physiker Anton Zeilinger Paare von Photonen entstehen, die nach ihrer Erzeugung in entgegengesetzter Richtung in einen Tunnel geleitet wurden. Nach einiger Zeit konnte man dann an beiden Teilchen jeweils eine von zwei Eigenschaften messen. Sinnbildlich gesprochen könnte man zum Beispiel Farbe oder Form jedes einzelnen Teilchens messen. Je nachdem welche Kombination von Messungen man auswählt, kommt man aber an dem Ende zum Ergebnis, dass die gewählte Messung rückwirkend beeinflusst haben muss, ob die Teilchen kugelig oder eckig, rot oder grün waren. Der Versuch ist ausführlich in eine Buch [1] von Anton Zeilinger erklärt. Quantenobjekte wie Photonen scheinen ihre Ausprägung also entweder an zukünftigen Messereignissen auszurichten oder aber sie haben noch keine festgelegte Existenz bis zu dem Moment, in dem sie gemessen werden [3]. Lies mehr dazu unter => Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon
Quantenobjekte als "Ding an sich"
Der Philosoph Immanuel Kant beschäftige sich im 18ten Jahrhundert mit der Frage, ob wir als Menschen gesicherte Erkenntnis über die Welt erlangen können. Bezüglich der materiellen Gegenstände der Welt, der Objekte also, kam er zu dem Schluss, dass wir deren wahre Gestalt und Eigenschaften niemals direkt wahrnehmen können. In seiner Sprache war ein solches Objekt ein => Ding an sich
Quantenobjekte zwischen Determiniertheit und Zufall
Betrachtet man das Verhalten von sehr vielen, zum Beispiel tausenden, von Elektronen in einem bestimmten Experiment, dann kann man für große Anzahlen der Elektronen sehr zu verlässige Formeln entwickeln. Mit diesen Formeln kann man dann zum Beispiel erfolgreich vorhersagen, dass von tausend Elektronen so gut wie immer mehr als 100 Elektronen aber auch meist immer weniger als 200 Elektronen einen Lichtblitz in einem bestimmten Bereich auf einem Leuchtschirm erzeugen. Die Naturgesetze für Quantenobjekte sind alle statistische Gesetze und als solche sehr zuverlässig. Für ein einzelnes Quantenobjekt aber kann man so gut wie keine Vorhersage treffen. Im Moment einer Messung „entscheidet“ es sich aus einer großen Anzahl möglicher Zustände einen einzelnen Zustand einzunehmen. Es ist unmöglich, das erfolgreich vorauszusagen. Große Anzahlen von Quantenteilchen verhalten sich also als Gruppe sehr vorhersagbar, jedes Teilchen für sich aber hat eine freakhafte Freiheit, die es auch ausfüllt. Siehe auch => Bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation
Quantenobjekte und die Außenwelthypothese
Der Physiker Ernst Mach hatte seine Hauptschaffenszeit vor dem Anbruch der Zeit der Quantenphysik. Er war aber Lehrer und Inspirator vieler späterer Quantenphysiker. Mach hatte mehrere Probleme mit dem Begriff der Materie herausgearbeitet, Probleme der Art, wie sie die spätere Quantenphysik auch bekommen sollte. Um solche Probleme zu umgehen schlug Mach vor, in der Physik auf die Annahme einer für sich existierende materiellen Außenwelt zu verzichten. Die Idee, dass es eine existierende materielle Welt an sich außerhalb unseres Bewusstseins gebe war für ihn nur eine Hilfsannahme. Er nannte diese Hilfsannahme die => Außenwelthypothese
Unbestimmtheit ist kein Mangel in der Messtechnik
Der Quantenphysiker Carl Friedrich von Weizsäcker schrieb: "Man hat gelegentlich die Unbestimmtheit von Zustandsgrößen in Zusammenhang gebracht mit der Störung des Objektes durch den Beobachtungsakt. Diese Ausdrucksweise ist mißverständlich. Denn sie erweckt den Eindruck, als habe das Objekt, ehe es beobachtet wird, gewisse Eigenschaften, die nur durch den Beobachtungsakt zerstört würden."
Literatur
◦ [1] Anton Zeilinger: Einsteins Spuk. Teleportation und weitere Mysterien der Quantenphysik. C. Bertelsmann Verlag, 2005. ISBN: 978-3570006917.
◦ [2] Natalie Wolchover: Experiment Reaffirms Quantum Weirdness. Physicists are closing the door on an intriguing loophole around the quantum phenomenon Einstein called “spooky action at a distance.” In: QuantaMagazine. February 7th, 2017. Deutsch: Verrückter Quanteneffekt erneut experimentell bestätigt. In: Spektrum der Wissenschaft. Online. 11. Februar, 2017.
◦ [3] Carl Friedrich von Weizsäcker, zitiert nach: Oskar Höfling Physik, Bonn, 1994, Dümmler Verlag, ISBN 3-427-41045-5, Seite 1037.
◦ [4] Meinard Kuhlmann: Was ist real? In: Spektrum der Wissenschaft. Juli 2014. (Warum Quantenobjekte weder Teilchen noch Wellen sein können)
