Aktuelle Erkenntnisse in der Quantenphysik

Wundern Sie sich nicht, wenn Sie im folgenden Kapitel über Quantenphysik nicht alles verstehen. Die quanten-mechanische Seite der Natur ist teilweise so seltsam, dass sie nicht vollständig verstehbar ist. Um diesen Aspekt klarzustellen, sagte der Nobelpreisträger Feynman einmal:

"Wer sagt, er hat die Quantenmechanik verstanden, der hat sie nicht verstanden!"

Vielleicht ist dies der Grund, dass die Quantenmechanik der großen Mehrheit der Bevölkerung leider noch unbekannt ist, obwohl sie im Vergleich zur bekannteren Einstein’schen Relativitätstheorie das bisherige naturwissenschaftliche Weltbild und den sogenannten "gesunden Menschenverstand" noch viel stärker in Frage stellt. Sie ist so grundlegend anders, dass sie im folgenden ausführlich betrachtet wird:

Die Quantenmechanik beschäftigt sich mit Phänomenen der Mikrophysik wie z.B. den Zusammenhängen im Inneren des Atoms. Dieses Innere stellte man sich lange Zeit folgendermaßen vor:

Im Zentrum des Atoms befindet sich der sogenannte Atomkern, der aus Protonen und Neutronen besteht. Um diesen herum bewegen sich Elektronen in verschiedenen Umlaufbahnen. Dies ist vergleichbar mit Planeten, die sich um die Sonne bewegen. Diese Theorie stellte der Physiker Rutherford auf. Man spricht deshalb vom Rutherford'schen Atommodell (siehe Abb. 7).

Abb. 7 Das Rutherford'sche Atommodell

Man dachte, dass man mit diesem Modell alles erklären könne. Doch dann entdeckten die Forscher, dass die meisten Teilchen Bruchteile von Sekunden außerhalb von Atomen existieren.
Diese Teilchen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Die Bestandteile eines Atoms sind dabei fettgedruckt und die instabilen Teilchen normal gedruckt.

Außerdem erkannte man, dass sich die Elektronen innerhalb des Atoms nicht, wie erwartet, in Umlaufbahnen bewegen. Stattdessen stellte man fest, dass sie mal hier und mal da, an verschiedenen Orten und mit unterschiedlichem Abstand zum Atomkern auftauchen. Als man untersuchte, an welchen Stellen sich die Elektronen aufhalten konnten, ergaben sich bestimmte Muster für Aufenthaltsorte. Diese nennt man Orbitale. Die Art des Orbitals ist dabei von der Atomsorte ( d.h. vom chemischen Element) abhängig (siehe Abb. 8 ).

Abb. 8 Das quantenmechanische Atommodell

Dieses und andere inneratomare Phänomene waren durch die alten klassischen Modelle der Physik nicht erklärbar und so stellten die Nobelpreisphysiker Bohr, Heisenberg und Schrödinger 1913-1929 eine Theorie namens "Quantenmechanik" auf³⁸.
Um sich dieser Quantenmechanik zu nähern, wollen wir im folgenden ein besonders anschauliches Experiment genauer betrachten:

Dieses Experiment führte C. Jönnson 1961 durch. Dabei wird ein Elektronenstrahl auf eine Platte mit einem Doppelspalt gerichtet. Hinter dem Doppelspalt werden dann die Elektronen auf einem Schirm registriert (siehe Abb. 9).
Verschließt man einen Spalt z.B. Spalt 2 (siehe Abb. 10), so treffen die Elektronen unterschiedlich oft an verschiedenen Orten des Schirmes auf. (In Abb. 10 ist das folgendermaßen dargestellt: Je mehr Elektronen an einem Ort auftreffen, desto höher liegt der Punkt in der Kurve.) Auf dem Schirm treffen auf der Höhe des offenen Spaltes A die meisten Elektronen auf. Dies ist im Diagramm an der "Spitze" des "Diagramm-Berges" zu erkennen.
Verschließt man nun den anderen Spalt 1 (siehe Abb. 11), so zeigt sich eine ähnliche Kurve, bei der nur das Maximum (also die "Spitze" des "Berges") in Richtung des offenen Spaltes 2 verschoben ist.

Untersucht man nun die Verteilung, wenn sowohl Spalt 1 als auch Spalt 2 offen sind, stellt man Seltsames fest:

Abb. 9 Der Doppelspaltversuch

 

Abb. 10 Elektronenverteilung bei offenem Spalt 1		Abb. 11 Elektronenverteilung bei offenem Spalt 2

Öffnet man zunächst nur Spalt 1, so treffen z.B. an einem bestimmten Ort A etwa 100 Elektronen pro Sekunde auf. Schließt man dann Spalt 1 und öffnet Spalt 2, so registriert man am gleichen Punkt ebenfalls 100 Elektronen pro Sekunde. Öffnet man nun zusätzlich zu Spalt 2 langsam wieder Spalt 1, so dass beide gleichzeitig geöffnet sind, so müssten langsam zu den 100 Elektronen pro Sekunde von Spalt 2 die 100 Elektronen pro Sekunde von Spalt 1 hinzukommen und am Ende die Summe von 200 Elektronen pro Sekunde registriert werden (siehe Abb. 12). Dem ist aber nicht so ! Die Anzahl der Elektronen, die tatsächlich - so erstaunlich das klingen mag - nach dem zusätzlichen Öffnen von Spalt 1 gemessen wird, ist 0 (Null) Elektronen pro Sekunde. Eigentlich müssten sich die beiden Verteilungskurven für Spalt 1 und Spalt 2 zur Kurve 1+2 addieren. Die Natur verhält sich aber komplett anders. Auch an einem anderen Punkt (B) ist die Elektronenverteilung gänzlich unerwartet. Obwohl an diesem Punkt eigentlich ebenfalls 200 Elektronen pro Sekunde zu erwarten wären, werden hier 400 Elektronen pro Sekunde registriert.

Misst man alle Punkte nacheinander auf diese Weise, erhält man die tatsächliche Wahrscheinlichkeitskurve, die deutlich von der eigentlich erwarteten Kurve abweicht (siehe Abb. 13).

Abb. 12 Theoretische Elektronenverteilung, _______Spalt 1 + 2 offen		Abb. 13 Tatsächliche Elektronenverteilung, _______Spalt 1 + 2 offen

 

Außerdem gibt es noch eine weitere Merkwürdigkeit beim obigen Experiment.
Versucht man nämlich zu messen, durch welchen Spalt die einzelnen Elektronen "fliegen", so verschwindet die Verteilungskurve ganz und alle Elektronen treffen am gleichen Ort des Bildschirmes auf.

Außer der Frage wie dieses merkwürdige Verhalten einer verschwindenden Verteilungskurve erklärbar ist, stellt sich vor allem eine Frage:

"Wie kann das Öffnen von Spalt 1 diejenigen Elektronen beeinflussen, die durch Spalt 2 fliegen ?"³⁹

Auf der Suche nach einer Antwort, stellten die Forscher Ähnlichkeiten zu einem anderen Experiment fest. Und zwar ähnelt die Funktionskurve stark einer anderen Kurve, die bei einem Experiment gemessen wird, bei dem es um die Überlagerung z.B. von Wasserwellen geht. Dabei bringt man in ein geschlossenes Wasserbecken eine konstante Störung ein. Es bilden sich um die Störung kreisförmige Wellen (genauso wie wenn man einen Stein in einen Teich wirft). Erzeugt man jedoch zwei konstante Störungen, so überlagern sich beide Wellen folgendermaßen:
An manchen Stellen heben sich die überlagerten Wellen gegenseitig auf. An manchen Stellen addieren sie sich zu einer höheren Welle. Da sich die Elektronen wie auch andere Materieteilchen im Doppelspalt-Versuch ähnlich verhalten, spricht man heute Materie eine Art "Wellenaspekt" zu.

Diese Ähnlichkeit der beiden Kurven hat aber Grenzen, da sie nicht erklären kann, wieso die Verteilungskurve verschwindet, wenn man zu messen versucht, durch welchen Spalt die jeweiligen Elektronen durchfliegen:

Fassen wir zunächst einmal das bisherige zusammen:

Schickt man einen Elektronenstrahl auf eine Platte mit einem Doppelspalt, so verhalten sich die Elektronenstrahlen ähnlich wie eine Wasserwelle, aber trotzdem ganz anders. Ein besonders irritierendes Ergebnis des Experimentes ist es, dass sich keine einzelnen Elektronen beim Durchflug durch einen Spalt nachweisen lassen, ohne dass das Interferenzmuster der Verteilungskurve verschwindet.

Wie lassen sich diese Phänomene erklären ?

Nach dem Bekanntwerden der ersten Experimente versuchten einige Physiker die Ergebnisse so zu erklären, dass die Elektronen eine weitere bisher noch unbekannte Eigenschaft haben müssten, die dieses "merkwürdige" Verhalten verursacht.
Diese zusätzliche Eigenschaft nannten sie "verborgene Variable".

Andere Physiker hielten dagegen die Theorie einer verborgenen Variable für falsch und meinten, dass die quantenmechanischen Experimente ein neues Weltbild verlangen.

Um diese These zu prüfen, trafen sich Physiker beider Standpunkte im Oktober 1927 in Kopenhagen, um über die Quantenmechanik zu diskutieren.
Während Einstein⁴⁰, DeBroglie und Schrödinger die einzigen waren, die sich einer weitreichenden Interpretation der Quantenmechanik widersetzten, war der Rest der Physiker wie Planck, Bohr, Heisenberg, Born und Dirac, Madame Curie, Compton, u.v.a. bereit, ein neues physikalisches Weltbild aufzustellen⁴¹. Diese Forscher gründeten zur Erforschung dieser neuen Theorie die sogenannte "Kopenhagener Schule".

In der Folge kam es von beiden Seiten zu zahlreichen Experimenten, die untersuchen sollten, ob die verborgene Variable existiert, bis Alain Aspect 1982 mit seinem historischen Experiment die Existenz von verborgenen Variablen wiederlegte. Nach seinem hochkomplexen (und deshalb leider hier nicht näher darstellbaren) Versuch⁴² kam es bis heute zu einer Reihe weiterer Experimente, die seine Ergebnisse bestätigten⁴³.

Nach dem bis heute unzählige Male wiederholten Nachweis, dass die verborgenen Variablen nicht existieren, gilt die Quantenmechanik als gesichert.
Welche Änderungen im Weltbild die Quantenmechanik im Einzelnen verlangt, zeigen folgende Postulate, die zum Teil sowohl dem gesunden Menschenverstand als auch den Grundsätzen der klassischen Physik widersprechen:

Überlagerungsprinzip
Kommt ein physikalisches Objekt in einen Zustand, in dem quantenmechanische Phänomene wirksam sind, so nennt man das "Quantenzustand".

In solch einem Quantenzustand existiert eine Raum-Zeit-Wahrscheinlichkeitswelle. Diese Welle kann mit einer anderen oder mehreren anderen überlagert werden (ähnlich wie bei Wasserwellen) und bildet dann eine neue Raum-Zeit-Wahrscheinlichkeitswelle (wie im obigen beschriebenen Doppelspaltexperiment: Kurve 1 wird mit Kurve 2 überlagert und bildet eine neue Raum-Zeit-Wahrscheinlichkeitswelle)⁴⁴.

Messen bedeutet Stören
Wenn eine Messung (wie in unserem Beispiel die Messung, durch welchen Spalt das Elektron fliegt) ein Versuchsergebnis derart stark beeinträchtigt (dass also das Interferenzmuster verschwindet), kann man nicht mehr, wie früher, davon ausgehen, dass ein Messgerät nur gut genug sein muss, damit es das zu Messende nicht stört. Im Gegenteil: Erst durch die Messung wird das Elektron "gezwungen", sich für einen der wahrscheinlichen Zustände zu "entscheiden". Das heißt eine Teilrealität wird durch die Messung erst geschaffen.

Realität und Objektivität
Im Allgemeinen geht man davon aus, dass objektives Wissen nur durch Messungen bei Experimenten erlangt werden kann. Wenn aber objektives Wissen nur durch Messung erzielt werden kann und eine Messung eine Störung beinhaltet (siehe oben), ist jeder Versuch, Wissen zu vermehren, mit einer Störung verknüpft, die die Realität verändert. Gerade über diese Realität versucht man aber Wissen zu erlangen. Dieser Widerspruch ist nicht auflösbar.
Fazit: Über das, was innerhalb eines Quantenzustandes vor sich geht, ist kein vollständiges objektives Wissen möglich.
Daraus folgt, dass die Realität als Ganzes nicht erfassbar ist.

Unschärfe - oder - Die Entstehung von Materie aus dem Nichts
Wenn die Realität innerhalb eines Quantenzustandes nicht vollständig erfassbar ist, dann bleibt das Innere "unscharf". Und zwar können die Geschwindigkeit und der Ort bei einem quantenphysikalischen Objekt nie gleichzeitig gemessen werden. Dies geschieht nicht aufgrund mangelnder Messtechnik, sondern aufgrund der Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik.
Die "Unschärfe" der Messungen hat dabei einen minimalen nicht unterschreitbaren Wert. Dieser lässt sich mit der sogenannten Heisenberg'schen Unschärferelation berechnen.

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Diese Unschärferelation hat sehr weitreichende Konsequenzen:
So können aus dem absoluten Vakuum, also aus dem Nichts, winzige Mengen Impuls bzw. Energie entstehen können, die kurz darauf wieder ins Nichts verschwinden.

Da Materie und Energie ineinander übergehen können, wie die Atombombe bzw. Einsteins Formel

E=m*c²

Dabei entspricht E der Energie, m der Masse
und c der Lichtgeschwindigkeit

zeigt, können statt Energie auch winzige Mengen Materie aus dem Nichts entstehen und wieder verschwinden, ohne dass man dieses direkt messen kann. (Dieser Vorgang wird auch Quantenfluktuation bzw. Vakuumfluktuation genannt.)
Eine indirekte Messung dieses Phänomens ist dagegen möglich. Dies zeigt der sogenannte "Casimir"-Effekt, der am Los Alamos National Laboratory vor kurzem nachgewiesen worden ist⁴⁵ .

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Nichtlokalität - oder - "Geisterhafte" Fernwirkung
Wenn der Aufenthaltsort eines Teilchens in einem Quantenzustand unscharf ist, heißt das, dass ein physikalisches Objekt mit einem festen Impuls zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht an einem bestimmten Ort festgelegt ist, sondern nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit dort vorhanden ist. Wenn es aber nicht an einem bestimmten Ort "vorhanden" ist, "existiert" es stattdessen an mehreren Orten gleichzeitig. Das Objekt ist sozusagen räumlich "verschmiert" bzw. kann nicht klar lokalisiert werden.

Sind mehrere Teilchen in einem Quantenzustand vorhanden, so sind diese über eine Wahrscheinlichkeitswelle statistisch "verknüpft". Diese Teilchen können dabei beliebig! weit voneinander entfernt sein und doch zu einer einzigen Wahrscheinlichkeitsstruktur gehören.
Überträgt man diese Erkenntnis auf die Astrophysik so hat das so weitreichende Konsequenzen, dass man über eine solche Verknüpfung ohne Zeitverlust Teilchen sogar am anderen Ende des Universums statistisch beeinflussen kann. Die Wirkung der Veränderung eines Teilchens auf die Umwelt ist also nicht lokal begrenzt, sondern kann sich auf das komplette Weltall ausdehnen.
(Darstellung dieses Gedankenmodells siehe Abb. 16)⁴⁶.
Experimentell wurde der Effekt schon bei Teilchen nachgewiesen, die zehn Kilometer voneinander entfernt waren⁴⁷.

Abb. 10 Der Doppelspalt im kosmischen Maßstab

 

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In Quantenzuständen existiert der objektive Zufall
Kommt ein System in einen Quantenzustand, sind mehrere Zustände gleichzeitig in einer Raum-Zeit-Wahrscheinlichkeitswelle vorhanden. Bricht diese Welle z.B. durch eine Messung zusammen, ist nur noch ein Zustand vorhanden. Dabei ist es objektiv zufällig, welchen der gleichberechtigten Zustände das physikalische Objekt dabei annimmt (z.B. beim obigen Experiment, an welchem Ort das Elektron auftrifft)⁴⁸.

Diese physikalische Erkenntnis hat im Vergleich zu den bereits besprochenen (siehe Abb. 3 und Abb. 4) eine neue Vorstellung von der Definition des Wortes "Zufall" zur Folge (siehe Abb. 17 )⁴⁹.
Danach gibt es Fälle, in denen bestimmte Ursachenkombinationen (wie z.B. ein mit einem Elektronenstrahl beschossener Elektronenstrahl) dazu führen, dass ein Quantenzustand entsteht, bei dem zunächst mehrere Zustände gleichzeitig vorhanden sind. Kommt es dann zu einer Störung, wie z.B. durch eine Messung, so entsteht ein ganz bestimmter Zustand.

Abb. 17 Der objektive Zufall in der Quantenmechanik

Fassen wir nun die Postulate zu einem einheitlichen Konzept zusammen, zeigt sich, dass sich die Natur hier doch recht seltsam verhält:

Kommen ein oder mehrere physikalische Objekte (wie z.B. ein Elektron) in eine Situation, in der es zwei oder mehrere physikalisch gleichberechtigte Möglichkeiten gibt, so bildet sich ein Quantenzustand. Innerhalb dieses Quantenzustandes ist das Objekt dann Teil einer Raum-Zeit-Wahrscheinlichkeitswelle.
Dies hat zur Folge, dass sich das physikalische Objekt in einem Zustand befindet, in dem es "gleichzeitig" an mehreren physikalisch gleichberechtigten Orten "existiert".
Dabei ist es objektiv zufällig, wo sich das physikalische Objekt nach Beendigung des Quantenzustandes befinden wird⁵⁰.
In diesem Quantenzustand sind Ereignisse so lange objektiv zufällig, bis es eines der Ereignisse tatsächlich gemessen wird (z.B. ein Elektron an einer bestimmten Stelle des Schirms) oder die Wahrscheinlichkeitsstruktur durch andere äußere Ereignisse beeinflusst wird⁵¹. Dabei kommt es zum Zusammenbruch der Raum-Zeit-Wahrscheinlichkeitswelle und das physikalische Objekt lokalisiert sich an einem einzigen bestimmten Ort.

Aus diesem obigen allgemeinen Schema über quantenmechanische Phänomene ergeben sich Konsequenzen für alltägliche Dinge wie Licht, Farben und Materie.

Bei Licht besteht der Unterschied der Farben aufgrund unterschiedlicher Wahrscheinlichkeitswellen. Deshalb spricht man bei Licht von unterschiedlichen Wellenlängen.
Materie ordnet man wie oben erwähnt einen Wellenaspekt zu und spricht vom Welle-Teilchen-Dualismus. Der Wellenaspekt ist dabei genaugenommen ein Wahrscheinlichkeits-Wellenaspekt.
Bei einem Atom z.B. ist die Raum-Zeit-Wahrscheinlichkeitswelle um den Atomkern gebeugt. Sie bildet dabei eine stehende Wahrscheinlichkeitswelle⁵² vergleichbar mit der stehenden Welle einer Gitarrensaite.

Abb. 18 Stehende Wellenformen einer schwingenden Saite

Diese stehende Raum-Zeit-Wahrscheinlichkeitswelle eines Atoms nennt man "Orbital" (siehe auch Abb. 8). Ein Orbital eines Atoms ist also nicht die Flugbahn eines oder mehrerer Elektronen in einem Atom, wie man vielleicht denken könnte, sondern es ist eine stehende Raum-Zeit-Wahrscheinlichkeitswelle. Dringt man mit einem Messgerät in das Innere eines Atoms und damit in das Orbital ein, so ist es objektiv zufällig, wann bzw. wo ein Elektron gemessen werden kann.

Atome und andere höhere physikalische Objekte, die aus Atomen zusammengesetzt sind (wie z.B. Moleküle, Pflanzen, Tiere und Menschen) bestehen also u.a. aus stehenden Raum-Zeit-Wahrscheinlichkeitswellen (Orbitalen), in denen dauernde Quantenzustände herrschen. In diesen Quantenzuständen existiert ein objektiver Zufall (siehe Abb. 17)⁵³.

Die gesamte Materie vom Mikroteilchen über den Menschen bis zum kompletten Universum ist also aus Strukturen aufgebaut, in denen objektiver Zufall existiert.

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Steffen Grimm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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