Grundlagen Quantenphysik

In der Quantum-Physik geht es um die Eigenschaften der subatomaren Teilchen, und sie besagt, dass Energie nicht kontinuierlich, sondern in Form von Quanten (Paketen) vorliegt. Bevor ich mit der Quantenphysik beginne, rate ich den Lesern, die nicht viel über Kernphysik wissen, die Homepage der Kernphysik zu lesen, da die Quantenphysik sonst schwer verständlich sein könnte. Wenn Sie aber die Struktur eines Atoms und von Teilchen kennen, dann ist es nicht notwendig, die Homepage der Kernphysik zu lesen. Eine andere Sache ist sehr wichtig, beim Lesen über Quantenphysik muss man alle logischen physikalischen Gesetze vergessen, denn die Gesetze in der subatomaren Welt sind für uns unvorstellbar. Nachdem Sie diese Website gelesen haben, haben Sie vielleicht eine andere Vorstellung von der Welt.

Der Teilchenwellen-Dualismus

Früher glaubten Wissenschaftler, dass Licht aus Wellen besteht und dass Elektronen, Neutronen und Protonen Teilchen sind. Aber die Wissenschaftler haben entdeckt, dass Licht manchmal Wellencharakter hat und manchmal Licht Teilchencharakter hat, aber nicht nur Licht, auch die anderen Teilchen, die ich erwähnt habe, haben manchmal Wellencharakter. Es gibt ein Experiment, das zeigt, dass Licht einen Teilchencharakter haben kann. Für dieses Experiment benötigen wir eine Metallplatte. Wenn wir diese Metallplatte mit Licht bestrahlen, kann es passieren, dass einige der Elektronen einiger Atome ihre Atomhülle verlassen. Aber wenn kein Elektron die Atomhülle verlässt, würde ein klassischer Physiker sagen, dass die Intensität zu gering ist und wir eine stärkere Lichtquelle benötigen oder dass wir das Licht näher an die Metallplatte bringen müssen. Aber das würde nicht helfen, denn Licht besteht aus Photonen, und wenn wir eine höhere Intensität haben, gibt es mehr Photonen, die die Elektronen bombardieren, aber ein Elektron kann nur ein Photon absorbieren. Das bedeutet, dass die Energie des Photons dafür verantwortlich ist, ob ein Elektron seine Atomhülle verlässt oder nicht. Die Elektronen werden vom positiv geladenen Atomkern gehalten und benötigen daher eine gewisse Energie, um auszubrechen. Wir brauchen also Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge, um den Elektronen genügend Energie zu geben. Wenn die Wellenlänge kürzer ist, sind die Energie und die Frequenz höher. Welche Wellenlänge wir brauchen, hängt von den Atomen ab. Einfaches Licht ist zu wenig, so dass wir zum Beispiel ultraviolettes Licht brauchen. All dies wird photoelektrischer Effekt genannt. Die beste Möglichkeit, dieses Experiment durchzuführen, ist mit einem Elektroskop. Es gibt auch ein Experiment, das uns zeigt, dass Elektronen einen Wellencharakter haben können. Es ist das Experiment mit der doppelten Lücke, das ich später beschreiben werde, weil es das wichtigste Experiment für die Quantenphysik ist und die Folgen davon Ihr Weltbild verändern könnten.

Die Heisenbergsche Unschärferelation

Um die Position und die Geschwindigkeit eines bestimmten Teilchens zu messen, benötigen wir Licht oder eine andere Strahlung. Wenn wir Strahlung mit einer langen Wellenlänge verwenden, ist die Position ungenau, aber die Geschwindigkeit ist ziemlich genau. Wenn wir Strahlung mit einer kurzen Wellenlänge verwenden, ist die Position ziemlich genau, aber die Geschwindigkeit ist ungenau. Das heißt, wenn wir eines dieser Dinge genau messen wollen, können wir das andere Ding nicht auch genau messen. Einige Dinge, die in der Kernphysik mit einem einfachen Muster erklärt werden, können auch in der Quantenphysik nicht so einfach erklärt werden. Wir haben dieses Problem mit dem Bohrschen Atommodell. In Wirklichkeit gibt es keine Elektronen, die um den Atomkern herumfliegen, aber man stellt sich vor, dass sie sich auf bestimmten Energieniveaus befinden. In dieser Situation ist es auch unmöglich, genau zu sagen, wo sich ein Elektron befindet. Hier finden wir also auch die Heisenbergsche Unschärferelation. Aber es gibt so genannte Orbitale, wo es sehr wahrscheinlich ist, dass sich ein Elektron befindet, aber es ist nie sicher. In der Quantenphysik haben wir nur Wahrscheinlichkeiten.

Nichts ist real

Vielleicht sind Sie von der Teilchenwellen-Dualität oder von der Heisenbergschen Unschärferelation fasziniert, aber das, was Sie hier lernen werden, wird die anderen Dinge für Sie weniger wichtig machen. Das Experiment beginnt sehr einfach. Sie brauchen eine Lichtquelle, eine Wand mit zwei Löchern und einen Schirm. Auf der Seite der Wand befindet sich die Lichtquelle und auf der anderen Seite der Schirm. Wenn Licht die Wand passiert, können wir auf dem Schirm eine Interferenzprobe sehen. Die Maxima befinden sich nicht hinter den Löchern auf dem Schirm, aber es gibt ein Maximum zwischen den beiden Löchern auf dem Schirm, sonst würde es sich nicht um ein Interferenzmuster handeln. Rechts und links von diesem Maximum gibt es dunkle Bereiche und dann wieder helle Bereiche, aber diese hellen Bereiche sind nicht so hell wie das Maximum in der Mitte. Dann haben wir wieder zwei dunkle Bereiche und so weiter. Dieses Ergebnis sollte uns nicht verwundern, denn es handelt sich hier um Wellen, und da einige Wellen einen längeren Weg von der Lichtquelle zum Bildschirm zurückgelegt haben als andere Wellen, verstärken sich einige Wellen gegenseitig und andere Wellen löschen sich gegenseitig aus. Wenn zwei Wellenkämme aufeinander treffen, verstärken sie sich gegenseitig, und wenn ein Wellenkamm und ein Wellental aufeinander treffen, löschen sie sich gegenseitig aus. Wenn ein Loch geschlossen ist, liegt das Maximum hinter dem geöffneten Loch. Nun werden wir die Lichtquelle durch eine Elektronenquelle ersetzen und das Experiment erneut durchführen. Diesmal erhalten wir die gleiche Interferenzprobe, wenn beide Löcher geöffnet sind. Dies beweist den Wellencharakter der Elektronen.

Es ist jedoch wichtig, dass Licht oder Elektronen nicht gleichzeitig eine Welle und ein Teilchen sein können. Jetzt wird es interessant, wir lassen nicht viele Elektronen durch die Wand, sondern nur eines nach dem anderen. Wenn ein Elektron die Wand passiert, kann es sich nicht selbst behindern, und da es nur durch eines der Löcher hindurchgehen kann, wäre es logisch, dass die Maxima hinter den beiden Löchern liegen. Aber wenn wir warten, bis viele Elektronen die Wand passiert haben, sehen wir wieder eine Interferenzprobe. Wenn wir dieses Experiment wiederholen und ein Loch schließen, liegt das Maximum hinter dem offenen Loch. Es scheint, als wüsste das Elektron, ob beide Löcher geöffnet sind oder nur eines. Wenn wir versuchen zu messen, durch welches Loch ein Elektron hindurchgeht, erhalten wir zwei Maxima hinter den beiden Löchern. Es ist also falsch zu sagen, dass das Elektron durch eines dieser beiden Löcher geht, denn wir können sagen, dass es durch beide Löcher geht, oder wir können auch sagen, dass es nicht durch ein Loch geht, beide Antworten sind richtig. Die Folge ist, dass nichts real ist, bis ein Beobachter es gesehen hat. Wir kennen keine Wechselwirkung zwischen dem Elektron, dem Beobachter und den Instrumenten, aber es muss eine Wechselwirkung geben. Ein Elektron hat viele Möglichkeiten, und aufgrund unserer Beobachtung muss das Elektron einen der möglichen Wege wählen. Wenn es also durch eines der Löcher geht, ist es logisch, dass die Maxima hinter den Löchern liegen. Das nennt man Kollaps der Wellenfunktion und jedes Teilchen hat eine Wahrscheinlichkeitswelle. Das bedeutet, dass man nie sicher sein kann, wo sich ein Teilchen befindet, man kann nur sagen, wo der wahrscheinlichste Ort ist. Ein Mensch hat auch eine Wahrscheinlichkeitswelle, die wir im ganzen Universum finden können, aber ihr stärkster Punkt ist dort, wo wir sind. Aber es gibt immer eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, dass Sie sich zum Beispiel auf dem Mars oder irgendwo anders befinden können, aber diese Wahrscheinlichkeit ist so gering, dass Sie keine Angst haben müssen. Wenn wir durch Messungen wissen, wo sich diese Person befindet, dann kollabiert ihre Wellenfunktion, weil wir ihre genaue Position kennen.

Solange wir etwas beobachten, ist es real, und wenn wir es nicht beobachten, ist es nicht mehr real. Es gibt eine weitere Illustration, die Schrödingers Katze genannt wird. Es ist ein Gedankenexperiment. Wir geben eine Katze in eine Kiste mit einem radioaktiven Material und einer Flasche Gift. Weil wir nie wissen, wann ein Atom zerfällt, ist ein radioaktives Material für dieses Experiment sehr gut geeignet. Die Wahrscheinlichkeit ist sehr wichtig für die Quantenphysik. Die Kiste muss geschlossen sein. Wenn ein Atom des radioaktiven Materials zerfällt, wird die Flasche zerbrochen und die Katze stirbt. Aber solange wir uns nicht um die Katze kümmern, ob sie lebendig oder tot ist, dann können wir sagen, dass sie lebendig und tot oder nicht lebendig und nicht tot ist, beide Antworten sind richtig. Aber in dieser Situation könnten wir niemals sagen, dass sie lebendig oder tot ist oder nicht lebendig und nicht tot. Ich hoffe, dass diese beiden Experimente Ihnen etwas über die Natur sagen können. Wenn Sie also an all das glauben, was bis heute nicht ganz sicher ist, hat sich Ihr Weltbild meiner Meinung nach verändert.

Die Theorie der vielen Welten

Es gibt auch eine andere Theorie, die Theorie der vielen Welten genannt wird. Sie beschreibt die Natur, ohne zu sagen, dass etwas unwirklich sein kann. Diese Theorie besagt, dass es viele Realitäten gibt. Wir können also sagen, dass das Elektron im Doppelspaltexperiment in einer Realität durch das eine Loch und in einer anderen Realität durch das andere Loch geht. Wir teilen also eine Realität in zwei verschiedene Realitäten auf. Es wächst wie ein Baum mit all seinen Ästen. Wir können auch sagen, dass in unserer Welt Schrödingers Katze tot oder lebendig ist und in einer anderen Realität das Gegenteil der Fall ist. Wenn wir in der Zeit reisen, denken Wissenschaftler, dass, wenn jemand seinen Vater tötet, bevor er geboren wurde, er verschwindet. Aber wenn es viele Realitäten gibt, kann es möglich sein, seinen Vater in einer Realität zu töten, und dann würde die Person nicht verschwinden. Es ist nicht sicher, ob diese Theorie richtig ist.

Die Raum-Zeit- und Zeit-Reisen

Die Quantenphysik ist voll von anderen Phänomenen. Eine sehr interessante Möglichkeit sind Zeitreisen, denn wir sehen Zeitreisen in vielen Filmen, aber nur wenige wissen, dass es physikalische Theorien gibt, die Zeitreisen möglich machen. Alles, was wir wissen, ist Raum und Zeit, wir nennen es Raum-Zeit. Wir sprechen immer von drei Dimensionen und einer vierten Dimension, die die Zeit ist. Es gibt so genannte Raum-Zeit-Diagramme. Auf der y-Achse haben wir die Zeit und auf der x-Achse, der horizontalen Achse, haben wir den Raum. In einem solchen Diagramm können wir Linien zeichnen. Wenn wir zum Beispiel stehen, ist die Linie parallel zur y-Achse, weil nur die Zeit verschmiert. Wenn wir schneller fahren, kommt die Linie näher an die x-Achse heran. Die Linie eines Objekts, das eine unendliche Geschwindigkeit hat, würde parallel zur x-Achse verlaufen. Alle bekannten Bewegungen lassen sich in diesen Raum-Zeit-Diagrammen darstellen. Diese Linien verlaufen von unten nach oben, von links unten nach rechts oben oder von rechts unten nach links oben. Linien, die von oben nach unten, von rechts oben nach links unten oder von links oben nach rechts unten verlaufen, wären Bewegungen zurück in die Vergangenheit. Wir können uns solche Bewegungen nicht vorstellen, aber für Photonen, die mit Lichtgeschwindigkeit fliegen, spielt es keine Rolle, ob sie in die Vergangenheit oder in die Zukunft fliegen. Die Folge könnte zum Beispiel sein, dass aus dem Nichts etwas gebildet werden kann, denn die Einsteinsche Formel (E=mc2) erlaubt es, Materie in Energie und Energie in Materie umzuwandeln. Ein Elektron-Positron-Paar kann zum Beispiel aus einem nicht existierenden Photon gebildet werden, die zusammenstoßen, um dieses Photon zu bilden. Dies ist möglich, weil Photonen den Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft nicht kennen. Wenn wir die Raumzeit so stark krümmen, dass die Zeit eine der Raumdimensionen ist und diese Raumdimension die Zeit ist, dann sind Zeitreisen möglich, weil wir in den Raumdimensionen vorwärts und rückwärts gehen können. In Wirklichkeit ist es sehr schwierig, die Raumzeit so stark zu krümmen, weil wir ein sehr starkes Gravitationsfeld brauchen. Die Möglichkeit von Zeitreisen ist faszinierend.