Die Quantenphysik ist ein Zweig der Physik, der sich mit Phänomenen befasst, die auf sehr kleinen Skalen auftreten, beispielsweise bei Atomen und subatomaren Teilchen. Im Gegensatz zur klassischen Physik, die das Verhalten makroskopischer Objekte beschreibt, konzentriert sich die Quantenphysik auf die mikroskopische Welt, in der die Gesetze der klassischen Physik nicht mehr gelten.
Die Quantenphysik basiert auf mehreren Grundprinzipien, die sich von der klassischen Intuition unterscheiden. Zu diesen Grundsätzen zählen unter anderem:
- Welle-Teilchen-Dualität.
- Heisenbergsche Unschärferelation.
- Überlappung.
- Pauli-Ausschlussprinzip.
- Quantenverschränkung.
Welle-Teilchen-Dualität
Subatomare Teilchen können sowohl Teilchen- als auch Wellenverhalten zeigen. Dies bedeutet, dass sich Teilchen in bestimmten Experimenten wie Punktteilchen verhalten können, mit einer definierten Position und einem definierten Impuls.
In anderen Experimenten lassen sich jedoch für Wellen charakteristische Interferenzmuster beobachten, etwa die Interferenz zweier Spalte.
Doppelspaltexperiment
Ein berühmtes Beispiel für diese Dualität ist das Doppelspaltexperiment. Wenn ein Teilchenstrahl wie Elektronen oder Photonen durch eine Barriere mit zwei Schlitzen geschossen wird, wird auf dem Detektionsbildschirm ein Interferenzmuster beobachtet.
Dieses Muster kann nur erklärt werden, wenn man bedenkt, dass sich die Teilchen wie Wellen verhalten, die miteinander interferieren. Bei genauer Betrachtung erkennt man jedoch einzelne Partikel an bestimmten Punkten auf dem Bildschirm, die sich wie Punktpartikel verhalten.
Heisenbergsche Unschärferelation
Die vom Physiker Werner Heisenberg formulierte Heisenberg-Unschärferelation legt eine grundlegende Einschränkung der Genauigkeit fest, mit der bestimmte Eigenschaften eines subatomaren Teilchens bekannt werden können.
Das Prinzip besagt, dass sowohl die Position als auch der Impuls (oder Impuls) eines Teilchens nicht gleichzeitig mit absoluter Präzision bekannt sein können. Dies impliziert, dass je genauer die Position eines Teilchens gemessen wird, desto weniger Präzision haben wir über seinen Impuls und umgekehrt.
Diese Einschränkung hängt mit der Wellennatur subatomarer Teilchen zusammen. Je mehr die Beschreibung einer Welle „gestrafft“ wird (d. h. ihre räumliche Ausdehnung verringert wird), desto mehr dehnt sie sich im Raum der Momente aus und umgekehrt.
Dies wird durch die bekannte Heisenberg-Ungleichung ausgedrückt:
Δx * Δp >= h/4π
Wo:
-
Δx stellt die Unsicherheit der Position dar.
-
Δp ist die aktuelle Unsicherheit.
-
h ist die Plancksche Konstante.
Überlappung
Eines der faszinierendsten Konzepte der Quantenphysik ist die Superposition. Nach diesem Prinzip können Quantenteilchen gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren, bis eine Messung durchgeführt wird.
Das bedeutet, dass sich ein Teilchen in einer Überlagerung verschiedener Orte, Impulse, Energien oder anderer Eigenschaften befinden kann.
Schrödingers Katze
Ein klassisches Beispiel für Überlagerung ist Schrödingers Katzenexperiment.
In diesem Gedankenexperiment wird eine Katze zusammen mit einem Gerät in eine geschlossene Kiste gelegt, bei der die Chance, die Katze zu töten, bei 50/50 liegt. Gemäß der Quantenmechanik befindet sich die Katze vor dem Öffnen der Schachtel und der Beobachtung in einer Überlagerung, in der sie gleichzeitig lebendig und tot ist.
Erst wenn die Kiste geöffnet und die Beobachtung gemacht wird, bricht der Quantenzustand der Katze in einen von zwei möglichen Ausgängen zusammen: lebendig oder tot.
Pauli-Ausschlussprinzip
Das von Wolfgang Pauli formulierte Pauli-Ausschlussprinzip besagt, dass zwei identische Fermionen, wie Elektronen, in einem gegebenen System nicht gleichzeitig denselben Quantenzustand einnehmen können.
Dieses Prinzip ist wichtig, um die Verteilung von Elektronen in Atomen und Molekülen zu verstehen. Es verhindert, dass zwei Elektronen alle ihre Quantenzahlen, einschließlich Spin, teilen, und sorgt so für eine einzigartige und spezifische Verteilung der Elektronen über Energieniveaus und Unterniveaus.
Diese Quantenbeschränkung ist von grundlegender Bedeutung für die Stabilität der Materie und hat erhebliche Auswirkungen auf die Bildung der Atomstruktur und des Periodensystems der Elemente.
Quantenverschränkung
Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem zwei oder mehr Teilchen eng miteinander korreliert sind, sodass der Zustand eines Teilchens sofort mit dem Zustand des anderen in Zusammenhang steht, selbst wenn sie durch große Entfernungen voneinander entfernt sind.
Dies impliziert eine nicht-lokale Verbindung zwischen den verschränkten Teilchen.
Experiment mit verschränkten Teilchen
Ein bekanntes Experiment, das die Quantenverschränkung veranschaulicht, ist das Experiment mit verschränkten Teilchen oder dem Bell-Paar-Experiment.
Wenn in diesem Experiment zwei verschränkte Teilchen getrennt und auf komplementäre Eigenschaften wie Polarisation gemessen werden, korrelieren die Messergebnisse auf eine Weise, die mit der klassischen Theorie nicht erklärt werden kann.
Das bedeutet, dass der Quantenzustand eines Teilchens sofort mit dem Quantenzustand des anderen Teilchens verknüpft ist, unabhängig vom Abstand zwischen ihnen.
Dieses Phänomen wurde experimentell bestätigt und wird in Technologien wie der Quantenkryptographie genutzt, um die Kommunikationssicherheit zu gewährleisten.
Unterschied zwischen Quantenphysik und Quantenmechanik
Quantenphysik und Quantenmechanik sind Begriffe, die oft synonym verwendet werden und sich auf dasselbe Forschungsgebiet beziehen. Es ist jedoch möglich, eine subtile Unterscheidung zwischen den beiden Begriffen zu treffen.
Quantenphysik ist ein weiter gefasster Begriff, der alle Aspekte der Quantentheorie umfasst, einschließlich nicht nur der Quantenmechanik, sondern auch anderer verwandter Bereiche wie Quantenfeldtheorie, Quantenelektrodynamik, Quanteninformationstheorie und Quantenphysik. Statistische Quantentheorie und andere.
In diesem Sinne umfasst die Quantenphysik eine Vielzahl von Theorien und Prinzipien, die das Verhalten von Teilchen und Systemen auf sehr kleinen Skalen erklären.
Die Quantenmechanik hingegen bezieht sich speziell auf den Zweig der Quantenphysik, der sich mit der Beschreibung und dem Verständnis des Verhaltens subatomarer Teilchen und physikalischer Systeme auf Quantenebene befasst.
Sie ist die grundlegendste und bekannteste Quantentheorie und legt die Prinzipien und Gleichungen fest, die das Verhalten von Teilchen auf mikroskopischer Ebene bestimmen.
