Quantenphysik

Einleitung

Aussagen über quantenphysikalische Objekte werden mithilfe sehr komplizierter mathematischer Modelle getroffen, die weit über den Schulunterricht hinausgehen. Aber das gilt auch für die "klassischen" Forschungsbereiche der Physik, z.B. die Hamiltonschen Bewegungsgleichungen oder die Navier-Stokes-Gleichungen, mit denen die Bewegungen von Gasen und Flüssigkeiten beschrieben werden. Im einen wie im anderen Fall kann man sich aber mit grafischen Darstellungen helfen, die von den Betrachtern intuitiv erfasst werden.

Die Quantenphysik überrascht mit Begriffen, die aus der Perspektive der klassischen Physik sehr fremdartig wirken, z.B. Verschränkung, Tunneln und Unschärferelation. Man liest, mit der Quantenphysik sei der Zufall in die Physik eingebrochen, und sehr bekannt ist Albert Einsteins Widerstand gegen die Quantenphysik und seine Formulierung: Gott würfelt nicht. Aber den Zufall kann auch die klassische Physik nicht vertreiben, denn in ihr sind physikalische Messwerte als reelle Zahlen definiert; das sind Zahlen mit unendlich vielen regellos auftretenden Stellen hinter dem Komma, die niemals wirklich genau erfasst werden können. Das hat zur Folge, dass Voraussagen - beispielsweise über das Wetter - immer nur eine begrenzte Zukunft erfassen können, denn irgendwann werden die feinen Unterschiede, die man nicht hat messen können, für die weitere Entwicklung ausschlaggebend sein.

Dieser Lernpfad zur Quantenphysik möchte zweierlei vermeiden:

• Es geht nicht darum, Mathematische Methoden zu vermitteln, die man sich mit der Schulmathematik nicht erarbeiten kann. Für Physikstudenten steht ja eine reiche Auswahl an Lehrbüchern bereit. Ich habe gelernt mit dem Buch von Gerhard Gerlich: Eine neue Einführung in die statistischen udn mathematischen Methoden des Quantentheorie, Braunschweig (vieweg) 1977 und mit dem Vorlesungsskript von Heinrich Mitter Quantentheorie Mannheim (BI Hochschultaschenbücher) 1969, das heute Online zur Verfügung steht.
• Es ist mir zu wenig, nur die Phänomene zu benennen ohne die logischen Konzepte, die ihrer mathematischen Beschreibung zugrundliegen. Wer diese nicht berechnen kann, kann doch wenigstens ihre grafische Veranschaulichung erfassen und so ein gewisses Verständnis erzielen. Dazu braucht man einen Einstieg, und den habe ich gewählt bei der Frage: Was ist eine Messung? Denn das unterscheidet seit Galileo Galileis Zeiten Physik von alltäglichem Hinschauen: Die zahlenmäßige Erfassung eines Ausschnittes der Wirklichkeit mit dem Ziel der Berechnung der Zusammenhänge.

Eine Messung

Vor einiger Zeit – ich bin nicht stolz darauf - bekam ich von der Stadt Grünberg einen Brief, aus dem ich einen Ausschnitt zeige:

Über die Messung, die in diesem Fall durchgeführt worden ist, stehen im Bescheid einige für unser Thema relevante Informationen:

• Es sind Laserstrahlen hergestellt worden, deren spezifische Eigenschaft, Kohärenz, nur mit Mitteln der Quantenphysik verstanden werden kann. Und das kann man verallgemeinern: Gleichgültig ob wir mit Hilfe von Licht etwas "sehen", mithilfe chemischer Prozesse etwas "schmecken" oder "riechen" oder ob wir mechanische Reizungen "fühlen" oder "hören" - immer ist die Quantenphysik im Spiel.
• Eine klassische Messgröße, die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs, konnte zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort mit so großer Genauigkeit festgestellt und der Person des Autofahrers zugeordnet werden, dass mir kein Gericht Recht geben wird, wenn ich meine Ordnungswidrigkeit leugnen wollte. Deshalb wird es am einfachsten und risikoärmsten sein, den Bußgeldbescheid zu bezahlen.

Aufgabe

• Benenne ein anderes Beispiel einer Messung
• Beschreibe möglichst exakt, was derjenige tut, der die Messung durchführt.
• Versuche, die quantenphysikalischen Objekte zu benennen, die in dem Messvorgang beteiligt sind (z.B. Licht, Chemie)
• Gib an, welche Konsequenzen die Messung hat, wie genau sie dazu sein muss und welche Folgen Fehler haben können.

Details

Wir machen uns klar, was bei der Geschwindigkeitsmessung mit einem Lasergerät passiert:

• Das Messgerät beschießt das fahrende Auto mit Lichtteilchen, von denen einige so reflektiert werden, dass sie zum Messgerät zurückkehren, welches automatisch die Geschwindigkeit bestimmt.
• Das Auto wird fotografiert und anhand des Nummernschildes identifiziert, sodass der Strafzettel den richtigen Autobesitzer erreicht, und das Foto ermöglicht die Identifikation des Fahrers.
• Weil masselose Lichtteilchen, verglichen mit einem tonnenschweren Auto, sehr wenig Energie transportieren, kann man im Falle einer Verkehrskontrolle davon ausgehen, dass die Messmethode die gemessene Geschwindigkeit nicht beeinflusst und weder das Nummerschild noch das Portraitfoto manipuliert.

Zum Nachdenken

Was ändert sich, wenn das Beobachtungsobjekt kein tonnenschweres Auto ist, sondern eines des leichtesten, kleinsten, flüchtigsten Teilchen der Natur?

Das Atom

Historisches

Empedokles aus Agrigent (495-435 v.C.) hatte den Philosophenstreit, ob alle Dinge nun aus dem Wasser, dem Feuer oder dem Hauch entstanden seien, dadurch beendet, dass er alle vier Elemente - Erde, Wasser, Feuer und Luft (heute sprechen wir von Aggregatzuständen) - zu Grundbestandteilen allen Daseins erklärt hatte.

Demokrit von Abdera (460-370) baute auf diesen Überlegungen auf und postulierte, die vier Elemente müssten aus unteilbaren Teilchen bestehen, die er atomoi nannte, zu deutsch: Unteilbare <Teilchen>. Er stellte sich diese Atome als winzig kleine geometrisch sehr regelmäßige "Bauklötzchen" vor: Kugeln, Würfel, Zylinder, Kegel, die sich im vollkommen leeren Raum bewegen. Später hat man die fünf regelmäßigen platonischen Körper den Elementen zugeordnet: der Erde den Würfel, dem Wasser den Ikosaeder, der Luft den Oktaeder und dem Feuer die Pyramide. Der Dodekaeder sollte die Himmelsmaterie bilden, die fünfte essentia, von deren Natur wir nichts wissen.

Kritik

Schon Aristoteles aus Stagira (399-322) kritisierte die Atomtheorie, weil er Bewegung in einem vollkommen leeren Raum für unmöglich hielt. Auch konnte soich niemand vorstellen, wie die Atome Kontakt miteinander aufnehmen und sich zu größeren Körpern verbinden sollten. Sie können ja keine "Ärmchen" haben, mit denen sich sich "unterhaken".

Aufgabe

Denke darüber nach,

• warum die Atomtheorie des Demokrit so verführerisch ist,
• und warum es nicht stimmen kann, dass die Welt aus lauter "Bauklötzchen" besteht, die wir wegen ihrer Kleinheit nie zu sehen bekommen und warum das auch unbefriedigend wäre.

Gedankenexperiment