Quantenphysik

Quantenphysik In der Welt der kleinsten Teilchen, der Quanten, herrschen andere Gesetze als in der Welt der makroskopischen Körper. Ein Quant verhält sich nicht wie eine winzig kleine Billardkugel. Die Quantentheorie beschreibt den physikalischen Zustand eines Teilchens durch eine abstrakte Zustandsfunktion. Diese ist selbst nicht direkt nachweisbar, ihr Betragsquadrat bestimmt die Wahrscheinlichkeit, physikalische Größen, wie den Ort oder den Impuls der Quanten, zu messen. Die quantenmechanische Zustandsfunktion eines freien Teilchens ist wellenförmig. Man spricht in diesem Zusammenhang vom Welle-Teilchen-Dualismus.

Ein Quantenteilchen ist sowohl Welle als auch Teilchen. Es hängt von der verwendeten Messapparatur ab, ob die Wellen- oder die Teilcheneigenschaften sichtbar werden. So zeigt Licht, eine elektromagnetische Welle, im alltäglichen Leben typische Welleneigenschaften wie Interferenz: Jeder hat schon das Farbenspiel einer Seifenblase bewundert, das in direkter Weise als Interferenz der verschiedenen Farben des Sonnenlichtes beschrieben werden kann. Wäre unser Auge indes so empfindlich, dass schon ein einzelnes Lichtquant oder Photon, eine Sinneswahrnehmung auslösen könnte, so würde man das Licht als Trommelfeuer kurzer Blitze wahrnehmen. An den hellen Stellen eines sich ausbildenden Interferenzmusters würden dann mehr Lichtblitze gesehen werden als an den dunklen Stellen. Mit modernen Photodetektoren können diese einzelnen Lichtblitze tatsächlich gemessen werden.

Die Interferenz von Wellen ist ein Beispiel für die kohärente Überlagerung von Wellen. In der Quantenmechanik erweitert man dieses Konzept auf die Überlagerung allgemeiner Zustandsfunktionen und bezeichnet es als das Superpositionsprinzip. So kann sich ein Quantenkreisel, in der Quantenwelt als Spin bezeichnet, in einer Überlagerung von Drehrichtung im und gegen den Uhrzeigersinn befinden. Die Quantenmechanik macht dann Aussagen über die Wahrscheinlichkeit, eine bestimmte Drehrichtung zu beobachten. Der allgemeinste Fall ist eine Überlagerung von zwei oder mehr Teilchen, wie sie in der Abb. 1 (C) dargestellt ist.

Dieser Zustand zeichnet sich dadurch aus, dass nur dem Spin-Paar und nicht den einzelnen Spins eine definierte Eigenschaft zugeschrieben werden kann. Erst wenn der Spin des einen Teilchens gemessen wird, hat auch der Spin des anderen Teilchens einen definierten Wert - und zwar augenblicklich -, der vom Resultat der Messung am ersten Teilchen abhängt. Dies ist vollkommen unabhängig davon, wie weit die beiden Quantenteilchen voneinander entfernt sind. Diese "spukhafte Wechselwirkung" zwischen verschränkten Zuständen über beliebige Entfernungen, die seit langem Gegenstand philosophischer Diskussionen ist, ließ bei Albert Einstein Zweifel an der Vollständigkeit der Naturbeschreibung durch die Quantentheorie aufkommen. Dennoch ist diese von der Theorie vorhergesagte nichtlokale Eigenschaft der Quantenwelt mittlerweile eine allgemein akzeptierte und experimentell bestätigte Tatsache.

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