Quantenphysik I – Einführung

Die Quantenphysik ist deshalb so faszinierend, weil sie einerseits sehr viele Anwendungen hat. Insbesondere beruhen alle Computer und Mobiltelefone auf ihr, daher wird unser Leben von der Quantenphysik maßgeblich mitbestimmt. Anderseits ist sie die fundamentale Theorie der Materie und des Lichts. Sie zeigt, wie die Welt wirklich beschaffen ist. Und zwar ganz anders, als wir denken.

Die Grundlagen der Quantenphysik verständlich zu erläutern ist nicht einfach. Es gibt verwirrend viele Begriffe. Das Problem der allermeisten Einführungen besteht darin, dass unklar bleibt, wie die Begriffe zusammenhängen. Das verhindert, die zentralen Merkmale der Quantenphysik wirklich zu erkennen Tatsächlich aber lässt sich alles auf zwei fundamentale Begriffe reduzieren und die stellen die zentralen Merkmale der Quantenphysik dar: Superpositionszustände und Wahrscheinlichkeiten. Mit dem ersten der beiden Begriffe können Sie zweifellos gar nichts anfangen. Den zweiten Begriff kennen Sie, wissen aber sicherlich nicht, was er im Zusammenhang mit der Quantenphysik bedeutet. Diese Seite soll dazu dienen, die beiden fundamentalen Begriffe etwas näher zu erläutern.

Wenn man ein Stück Materie immer weiter zerteilt, dann landet man irgendwann bei den Atomen. Aber auch die kann man weiter zerteilen. Und zwar in ihre Kerne und ihre Elektronen. Die Kerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Die kann man zumindest theoretisch noch weiter zerteilen. Und zwar in die Quarks. Das sind Elementarteilchen und die kann man, wie der Name schon andeutet, nicht weiter zerteilen. Aber die Quarks interessieren uns hier nicht. Uns interessieren die Elektronen. Auch sie sind Elementarteilchen, also unteilbar. Die Elektronen bewegen sich um die Kerne. Aber wie sieht die Bewegung aus? Kreisen sie um die Kerne wie die Planeten um die Sonne? Haben sie also zu jedem Zeitpunkt einen festen Ort und eine feste Geschwindigkeit? Überhaupt nicht, das ist die neue Erkenntnis der Quantenphysik. Sie sind vielmehr stets gleichzeitig an sehr vielen unterschiedlichen Orten und haben stets gleichzeitig sehr viele unterschiedliche Geschwindigkeiten. Das nennt man Superpositionszustände und erst mit ihnen konnte die Stabilität der Atome erklärt werden.

Wenn wir uns die Elektronen als winzige Kügelchen vorstellen, dann sind die Superpositionszustände völlig absurd. Ganz klar, diese Vorstellung ist falsch. Was aber sind die Elektronen dann? Die Antwort ist ernüchternd: Das weiß keiner. Allerdings kann die Mathematik der Quantenphysik helfen. Sie macht zumindest die Beschreibung der Superpositionszustände möglich. Und zwar mittels Wellenfunktionen. Aber Vorsicht! Die Wellenfunktionen sind keine echte Wellen, sie sind völlig abstrakt.

Kann man die Superpositionszustände auch direkt beobachten? Kann man also sehen, dass die Elektronen in den Atomen sich an sehr vielen verschiedenen Orten befinden und sehr viele verschiedene Geschwindigkeiten haben? Dazu muss man die Atome an Messgeräte anschließen, die sensibel auf die Orte oder die Geschwindigkeiten der Elektronen ansprechen. Nehmen wir ein Messgerät, das sensibel auf die Orte anspricht. Zeigt es alle Orte des Elektrons gleichzeitig an? Nein, das tut es nicht. Ganz im Gegenteil. Es zeigt stets nur einen einzigen Ort an. Welcher Ort ist das? Das kann man nicht sagen, man kann hierfür nur Wahrscheinlichkeiten angeben. Die sich aus den die Superpositionszustände beschreibenden Wellenfunktionen berechnen lassen. Diese Wahrscheinlichkeiten sind neben den Superpositionszuständen das zweite zentrale Merkmal der Quantenphysik. Sie haben Albert Einstein überhaupt nicht gefallen. Von daher sein Spruch „Gott würfelt nicht“. Aber bis heute gilt, dass man mehr als die Wahrscheinlichkeiten aus der Mikrowelt nicht herausholen kann.