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Die Quantenphysik


Willkommen auf der Homepage der Quantenphysik. Wenn Sie in die Geheimnisse der subatomaren Welt eintauchen möchten ist das genau die richtige Seite für Sie.

Die Quantenphysik beschäftigt sich mit den Eigenschaften subatomarer Teilchen (Elementarteilchen) und geht davon aus, dass Energie nicht kontinuierlich, sondern paketweise, also in Form von Quanten existiert. Bevor ich zur Quantenphysik selbst komme muss ich vorab sagen, dass es sinnvoll wäre falls Sie keine Ahnung über Kernphysik haben sich die Homepage der Kernphysik durchzulesen, da Kernphysik für das Verständnis der Quantenphysik unerlässlich ist, obwohl die Sachen in der Quantenphysik anders dargestellt werden. Falls Sie jedoch wissen wie ein Atom aufgebaut ist und was Elementarteilchen sind da ist es nicht notwendig sich die Homepage der Kernphysik durchzulesen. Noch etwas ist sehr wichtig und zwar müssen Sie sich von allen Ihnen bekannten und logischen Gesetzen der klassischen Physik lösen, denn in der Welt der Elementarteilchen herrschen Gesetze die für uns unvorstellbar sind. Nachdem Sie sich diese Seite durchgelesen haben werden Sie ein ganz anderes Weltbild vor sich haben.


Kapitel 1: Die Teilchen-Welle-Dualität


Früher dachte man dass Licht aus Wellen besteht und z. B. Elektronen, Neutronen und Protonen Teilchen sind. Man hat jedoch festgestellt, dass Licht manchmal einen Wellencharakter und manchmal einen Teilchencharakter hat und das gilt auch für die anderen oben genannten Teilchen. Es gibt z. B. einen Versuch, den ich hier beschreiben möchte bei dem man den Teilchencharakter des Licht beobachten kann. Man nimmt beispielsweise eine Metallplatte. Wenn man diese z. B. mit Licht bestrahlt kann es passieren, dass bei einigen Atomen der Metallplatte ein Elektron die Atomhülle verlässt. Wenn wir jedoch den Fall annehmen, dass keine Elektronen die Atomhülle verlassen würde jeder klassische Physiker denken, dass die Intensität zu gering ist und entweder eine stärkere Lichtquelle nehmen würde oder die Lichtquelle der Metallplatte nähern würde. Jedoch ist es so, dass dies nicht hilft, denn Licht besteht aus Photonen und auch wenn man eine größere Intensität hat und somit mehr Photonen auf die Elktronen zuströmen, absorbiert jedes Elektron nur ein Photon. Das heißt, dass die Energie der Photonen dafür verantwortlich ist, ob ein Elektron die Atomhülle verlassen kann oder nicht. Die Elektronen werden nämlich vom positiv geladenen Atomkern festgehalten, so dass sie eine bestimmte Energie brauchen um den Elektronenverband verlassen zu können. Man muss also in einem solchen Fall Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge nehmen, damit sich Elektronen lösen können. Je kürzer die Wellenlänge ist desto größer ist die Energie wie auch die Frequenz. Welche Wellenlänge man nehmen muss hängt jedoch von den Atomen ab. Einfaches Licht wird normalerweise nicht genügen, so dass man auf ultraviolettes Licht zurückgreifen muss. Das ganze heißt Photoeffekt. Am besten kann man den Versuch mit einem elektroskop durchführen. Es gibt auch einen Versuch, der den Wellencharakter von Elektronen nachweist. Es ist der Doppelspaltversuch, jedoch werde ich ihn erst später beschreiben, weil er der zentrale Versuch der Quantenphysik ist und das was aus ihm hervorgeht wird wie versprochen Ihr bisheriges Weltbild gänzlich verändern.


Kapitel 2: Die Heisenbergsche Unschärferelation


Wenn man die genaue Position und die genaue Geschwindigkeit (Impuls) eines Teilchens messen will muss man dazu Licht beziehungsweise Strahlung mit einer anderen Wellenlänge benutzen. Je größer die Wellenlänge ist die man wählt desto ungenauer ist die Position, aber die Geschwindigkeit wird von der Messung selbst wenig beeinträchtigt. Wenn man nun jedoch Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge nimmt wird die Position genauer, die Geschwindigkeit wird von dieser Strahlung jedoch stark beeinflusst. Das heißt je genauer wir das eine messen wollen desto ungenauer wird das andere. Ich habe auch schon davon gesprochen, dass einige Sachen die in der Kernphysik mit einem einfachen Modell beschrieben werden sich in der Quantenphysik nicht so leicht beschreiben lassen. Und zwar geht es hierbei um das Bohrsche Atommodell. Es ist nicht wirklich so, dass die Elektronen schön geordnet den Atomkern umkreisen, sondern man sich vorstellen, dass sie sich auf bestimmten Energieniveaus befinden. Auch hier, und deshalb gehört es zu diesem Kapitel, lässt sich nicht genau sagen wo sich ein Elektron genau befindet. Wir begegnen also auch hier der Heisenbergschen Unschärferelation. Es gibt jedoch sogenannte Orbitale in denen es am wahrscheinlichsten ist, dass sich Elektronen ausfhalten, aber sicher ist es nicht. In der Quantenphysik rechnet man also mit Wahrscheinlichkeiten.


Kapitel 3: Nichts ist real


Vielleicht sind Sie von der Teilchen-Welle-Dualität fasziniert oder von der Heisenbergschen Unschärferelation, aber das was Sie hier erfahren werden wird das was Sie bisher erfahren haben in den Schatten stellen. Das Experiment fängt ganz einfach an. Man braucht erst einmal eine Lichtquelle, eine Trennwand mit zwei Löchern und einen Schirm. Auf der einen Seite steht unsere Lichtquelle und auf der anderen der Schirm. Dazwischen befindet sich die Trennwand. Wenn wir nun Licht durch die Trennwand hindurchschicken sehen wir am Schirm ein Interferenzmuster. Die Maxima liegen bei diesem Interferenzmuster nicht hinter den beiden Löchern, sondern es befindet sich ein Maximum zwischen den beiden Löchern, denn sonst wäre es kein Interferenzmuster. Rechts und links von diesem Maximum gibt es dunkle Flächen und wieder helle, die aber nicht so hell sind wie das Maximum in der Mitte. Danach folgen wieder zwei dunke Flächen usw. Dieses Ergebnis verwundert uns nicht, denn es sind Wellen und da einige Wellen einen weiteren Weg von der Lichtquelle zum Schirm zurücklegen müssen als andere verstärken sich die Wellen an manchen Stellen und an anderen heben sie sich auf. Dort wo zwei Wellenkämme aufeinandertreffen verstärken sie sich und dort wo ein Wellenkamm und ein Wellental aufeinander stoßen heben sie sich auf. Wenn man ein Loch zuhält liegt das Maximum nur hinter dem offnen Loch. Nun ersetzen wir jedoch die Lichtquelle gegen eine Elektronenquelle und führen den Versuch noch einmal durch. Auch bei den Elektronen erhalten wir, wenn beide Löcher offen sind ein Interferenzmuster. Das beweist den Wellencharakter von Elektronen. Wichtig ist jedoch, dass weder Licht noch Elektronen beides zu gleich sein können, sondern sie können entweder Welle oder Teilchen sein. Jetzt wird es jedoch langsam interessant und zwar lassen wir nicht mehr einen Strom von Elektronen durch die Trennwand durch, sondern nur ein Elektron nach dem anderen. Wenn nur einen Elektron nach dem anderen die Apparatur durchläuft kann es sich nicht selbst behindern und da es nur durch das eine oder durch das andere Loch fliegen kann würden logischerweise hinter den beiden Löchern die beiden Maxima erscheinen und kein Interferenzmuster. Es erscheint jedoch trotzdem, wenn wir längere Zeit warten bis mehrere Elektronen die Apparatur durchlaufen haben, ein Interferenzmuster. Wir können ein Loch schließen und dann entsteht kein Interferenzmuster mehr. Das Elektron müsste also wissen ob beide Löcher offen sind oder nur eins. Wenn wir versuchen zu messen durch welches Loch das Elektron durchgeht entsteht am Ende wieder kein Interferenzmuster, sondern zwei Maxima hinter den beiden Löchern. Es ist also falsch zu sagen, dass das Elektron durch das eine oder das andere Loch durchgeht, denn man kann sagen, dass es ducrh beide gleichzeitig bzw. durch keines der beiden Löcher geht. Daraus folgt also das nichts real ist bis es ein Beobachter gesehen hat. Man kennt zwar keine direkte Wechselwirkung zwischen dem ELektron, dem Beobachter und der Apparatur, aber trotzdem muss es eine solche Wechselwirkung geben. Es gibt also viele Möglichkeiten für Elektron und erst durch unsere Beobachtung muss sich das Elektron entscheiden einen der möglichen Wege zugehen. Wenn es also durch eines der Löcher geht ist es klar, dass hinter den beiden Löcher die Maxima entstehen werden. Das bezeichnet man als Kollaps der Wellenfunktion und zwar hat jedes Teilchen eine sogenannte Wahrscheinlichkeistwelle. Das heißt man kann nie mit Sicherheit sagen wo sich ein Teilchen befindet, sondern nur sagen wo es am wahrscheinlichsten ist, dass es sich an jenem Ort befindet. Auch ein Mensch hat eine Wahrscheinlichkeitswelle und diese erschreckt sich z. B. über das ganze Universum wobei sie dort am stärksten wo Sie sich wirklich befinden. Es bleibt jedoch eine unendlich kleine Wahrscheinlichkeit dafür, dass Sie sich plötzlich auf dem Mars befinden, wobei sie so klein ist, dass Sie keine Angst zu haben brauchen. Wenn man nun durch Messungen herausfindet wo Sie sich befinden kollabiert die Wellenfunktion, weil man dann mit Sicherheit sagen kann an welchen Ort sie sich befinden. Daraus folgt, dass so lange wir etwas beobachten es real ist und sobald wir es nicht mehr beobachten es nicht mehr real ist. Dazu gibt es eine andere Veranschaulichung und zwar das Gedankenexperiment mit Schrödingers Katze. Man steckt eine Katze in eine Kiste in der sich eine radioaktive Probe und ein Fläschen Gift befinden. Da der radiaktive Zerfall spotan geschieht eignet sich ein radioaktives Präparat sehr gut für diesen Versuch, da es um die Wahrscheinlichkeiten in der Quantenphysik geht. Die Kiste muss verschlossen sein. Wenn nun ein Atom dieses radioaktiven Präparates zerfällt wird das Fläschen zerbrochen und die Katze stirbt. Solange man jedoch nicht nachguckt ist die Katze entweder lebendig und gleichzeitig tot oder weder lebendig noch tot. Sie ist jedoch nicht entweder lebendig oder tot. Ich hoffe, dass Ihnen diese beiden Versuche unsere Natur etwas veranschaulichen. Wenn Sie nun davon ausgehen, dass dies wirklich wahr ist, da man sich bis heute noch nicht so ganz sicher ist, hat es bestimmt Ihr Weltbild deutlich verändert.

Doppelspaltversuch


Kapitel 4: Die Raum-Zeit und Zeitreisen


Die Quantenphysik ist noch voll von anderen Phänomenen. Ein sehr interessante Möglichkeit sind Zeitreisen, denn man sieht Zeitreisen in vielen Filmen, aber nur wenige Leute wissen, dass laut einiger physikalischer Theorien wirklich möglich ist. All das was wir kennen, also den Raum und die Zeit bezeichnen wir als Raum-Zeit. Man spricht immer von drei räumlichen Dimensionen und einer vierten und zwar der Zeit. Es gibt sogenannte Raum-Zeit-Diagramme. Auf der y-Achse, also der senkrechten Achse wird normalerweise die Zeit abgetragen und auf der x-Achse, also der waagerechten Achse, der Raum. In ein solches Diagramm können Weltlinien eingezeichnet werden. Wenn wir z. B. stehen ist die Weltlinie eine Parallele zur y-Achse, da hier nur die Zeit verstreicht. Je schneller wir uns bewegen desto mehr nähert sich die Weltlinie der x-Achse. Die Weltlinie eines Objekts, dass sich mit einer unendlichen Geschwindigkeit ausbreitet wäre eine Parallel zur x-Achse. Die unsbekannten Bewegungen können also durch Weltlinien beschrieben werden, die von unten nach oben, von unten links nach oben rechts gehen oder die von unten rechts nach oben links gehen. Weltlinien, die jedoch von oben nach unten gehen, von oben rechts nach unten links und von oben links nach unten rechts würden Bewegungen in der Zeit rückwärts darstellen. Für uns sind jedoch Bewegungen in der Zeit rückwärts etwas Unvorstellbares, für Photonen jedoch die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten ist es egal ob sie sich in die Vergangenheit oder in die Zukunft begeben. Daraus folgt z. B., dass aus nichts etwas entstehen kann, denn nach der bekannten Gleichung (E=mc2) Einsteins kann man Materie in Energie und Energie in Materie umwandeln. Aus einem nicht existierenden Photon kann also ein Elektronen-Antielektronen-Paar entstehen, dass wieder miteinander kollidiert um dieses Photon zu erschaffen. Das geht deshalb, weil Photonen keinen Unterschied zwischen der Vergangenheit und der Zukunft kennen. Wenn man nun die Raum-Zeit so stark verzerren würde, dass die Zeit eine der drei Raumdimensionen einnehmen würde und diese Raumdimension die Zeitsimension einnehmen würde so wären Zeitreisen denkbar, weil wir uns im Raum vorwärts und rückwärts bewegen können. Es ist in der Praxis jedoch sehr schwer die Raum-Zeit so stark zu verzerren, denn dafür braucht man ein sehr starkes Gravitationfeld. Die Möglichkeit von Zeitreisen ist schon faszinierend.


Kapitel 5: Die Viele-Welten-Theorie


Es gibt jedoch noch die Viele-Welten-Theorie die das Phänomen, dass nichts real ist aufhebt. Diese Theorie besagt, dass es viele Realitäten gibt. Dass heißt, dass wir dann wieder sagen können, dass das Elektron beim Doppelspaltversuch in der einen Realität durch das andere Loch geht und in einer anderen durch das andere. Es erfolgt also eine Spaltung. Man kann sich das ganze wie einen Baum vorstellen bei dem sich die Zweige in immer weitere Zweige spalten. Man könnte dann auch sagen, dass in unserer Welt Schrödingers Katze entweder tot oder lebendig ist und in einer anderen Realität genau das umgekehrte geschehen ist. Bei Zeitreisen geht man davon aus, dass wenn man z. B. seinen Vater noch vor seiner Geburt tötet man selbst verschwindet. Wenn es mehrere Realitäten wäre es jedoch möglich, dass man seinen Vater nur einer Realität umbringt man selbst aber trotzdem existiert, weil es mehrere Realiäten gibt. Man ist sich jedoch noch nicht ganz sicher ob diese Theorie stimmt.


Kapitel 6: Die Vereinheitlichte Feldtheorie



Die Vereinheitlichte Feldtheorie stellt in der modernen Physik das mit Abstand wichtigste Problem dar. Sie setzt voraus, dass es kurz nach dem Urknall nur eine vereinheitlichte Kraft gab. Diese GUT-Kraft (Grand Unified Theorie) hat sich dann in die vier fundamentalen Kräfte aufgeteilt.

Die vier fundamentalen Kräfte
KraftReichweite StärkeAuftreten
Starke Kraft 10-15 m 1 zwischen Quarks
Elektromagnetische Kraft unendlich 10-2 zwischen elektrisch geladenen Teilchen
Schwache Kraft 10-15 m 10-13 zwischen Leptonen (Neutrinos, Elektronen)
Gravitation unendlich 10-38 zwischen allen Teilchen


Heute versucht man diese vier Kräfte wieder zusammenzuführen. Man hat herausgefunden, dass es zwischen der elektromagnetischen Kraft und der schwachen Kraft eine Symmetrie gegeben haben muss die dann zerbrochen ist. Dazu muss man wissen, dass die Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung die W+-, W-- und Z0-Partikel sind. Es gibt im heutigen Universum das Higgs-Feld, dass sich mit dem Feld der schwachen Kraft vereinigt. Durch hohe Energien kann man jedoch das Higgs-Feld auflösen und die eben genannten Partikel werden dadurch frei und verhalten sich dann wie Photonen und sind von ihnen auch nicht mehr zu unterscheiden. Für diese Entdeckung erhielten S. Glashow, S. Weinberg und A. Salam den Nobelpreis. Bei einem Experiment am CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire), im Proton-Antiproton-Kollidierer wurden diese Partikel nachgewiesen und somit war die elektroschwache Kraft bestätigt worden. Man arbeitet nun daran als nächstes die Starke Kraft daran anzuschließen.

Autor und Webmaster: Lukas Czarnecki

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Letzte Änderung: 26.11.2000