Kurzer Versuch über das Quantum

Dinge und Begriffe

Jörg Sczepek

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2022
• ISBN drucken: 9783755712619
• eBook-ISBN: 9783755722373
• Auflage: 1
• Thema: Biological Sciences
• Thema: Science General

Die Jahrhundertwende hatte mit dem Quantum einen neuen Begriff in die Wissenschaft eingeführt. Dies war notwendig geworden, weil experimentelle Messungen in der Größenordnung unterhalb von Molekülen Ergebnisse lieferten, die mit der klassischen Physik nicht zu erklären waren. Zudem lassen sich die in diesen Experimenten auftretenden Phänomene nicht eindeutig als Welle oder Teilchen charakterisieren und sind eben auch quantisiert, d. h. sie laufen nicht kontinuierlich ab, sondern treten in diskreten Veränderungsstufen auf, dem Quantum.Der kurze Versuch über das Quantum folgt den Ideen der radikalsten Denker durch 100 Jahre Physikgeschichte, findet mit ihnen Parallelen zur fernöstlichen Mystik und zeigt uns einen möglichen Platz im undurchdringlich leeren Universum.

Mono Craters, Mono Lake/Californien

Die Jahrhundertwende hatte mit dem Quantum einen neuen Begriff in die Wissenschaft eingeführt. Dies war notwendig geworden, weil experimentelle Messungen in der Größenordnung unterhalb von Molekülen Ergebnisse lieferten, die mit der klassischen Physik nicht zu erklären waren. Zudem lassen sich die in diesen Experimenten auftretenden Phänomene nicht eindeutig als Welle oder Teilchen charakterisieren und sind eben auch quantisiert, d. h. sie laufen nicht kontinuierlich ab, sondern treten in diskreten Veränderungsstufen auf, dem Quantum. Damit war die Quantenphysik begründet, die sich mit dem Verhalten und den Wechselwirkungen der kleinsten Teilchen und Prozesse befasst, um sie berechenbar zu machen. Auch wenn die Welt, die die Quantentheorie beschreibt, in vielerlei Hinsicht dem gesunden Menschenverstand zuwider läuft, wäre unsere moderne Welt ohne sie unvorstellbar. Wir hätten weder Kernenergie, Laser, Kernspintomografen oder Mikrochips.

Als Erster stellte Max Planck im Jahr 1900 zur Erklärung des Strahlungsspektrums eines idealen schwarzen Körpers die Hypothese auf, dass die elektromagnetische Strahlung Energie nur in Portionen aufnehmen und abnehmen kann. 1905 ging Albert Einstein noch einen Schritt weiter, als er bei der Erklärung des Photoeffekts behauptete, dass Licht sogar aus Lichtpaketen, den Photonen, besteht. – Ein kleines Sakrileg, denn James Clerk Maxwells damals vorherrschender Theorie zufolge stellte man sich Licht als Welle vor, die sich in einem ätherähnlichen Feld ausbreitet.

Das sprunghafte Verhalten der Quantisierung ist der Kern der Quantentheorie. So kann ein Elektron, das sich um einen Atomkern bewegt, nicht beliebige Energieniveaus besitzen und muss daher springen, um von einem Energiezustand zu einen anderen zu gelangen. Deshalb kann sich beispielsweise die Energie eines elektromagnetischen Feldes nicht um beliebige Werte ändern. Stattdessen kann sie nur in kleinen Portionen, eben den Photonen, aufgenommen und abgegeben werden.

Im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts legten Forscher wie Niels Bohr, Paul Dirac, Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger die mathematischen Fundamente der Quantentheorie. Heisenbergs 1925 vorgestellte Matrizenmechanik und Borns 1926 eingeführte Wellenmechanik erhoben den Anspruch, die Zustände von Quantenobjekten, wie z. B. den Elektronen in einem Atom, exakt zu ermitteln. 1927 erwies sich, daß beide Modelle aufgrund identischer Voraussage das gemeinsame Ziel, das Strahlungsspektrum des Wasserstoffatoms zu modellieren, erfüllten.

Allerdings fegen ihre Ergebnisse die Grundlagen des mechanistischen Weltbildes hinweg. Sie hoben zwar den lange bestehenden Dualismus zwischen Teilchen- und Wellennatur der Materie auf, mussten dafür aber die Vorstellungen einer determinierten und damit berechenbaren Welt und der real existierenden Materie aufgeben!

Auf der Ebene der atomaren Bestandteile existiert die Materie nicht an definitiv zu bestimmenden Orten, und auch atomare Prozesse laufen nicht zu fest bestimmbaren Zeiten und auf exakt definierte Weisen ab. Stattdessen bekommen wir auf beide Fragen nur Wahrscheinlichkeitswerte als Antworten. Damit könnte ein Elektron dann z. B. zu 80 % am Nordpol und zu 20 % am Südpol gefunden werden und die Chance, daß sich ein Quantensprung auf eine niedrigere Ba...

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