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Gruss aus der Quantenwelt: Von einem fassbaren Modell für Unfassbares

von Kathi Keinstein

Ich bin Chemikerin sowie freischaffende Lehrerin und blogge über Natur und Wissenschaft für alle Sinne auf www.keinsteins-kiste.ch.

Gruss aus der Quantenwelt: Materieteilchen zeigen Interferenz! (Urheber: © TU Wien, mit freundlicher Genehmigung)

Gruss aus der Quantenwelt: Materieteilchen zeigen Interferenz! (Urheber: © TU Wien, mit freundlicher Genehmigung)

Quanten gelten für viele als eines der grössten Mysterien der Welt der Wissenschaft: Ob unscharf, getunnelt, verschränkt, teleportiert, als Teilchen, als Feld oder gar als Grundlage einer Heilmethode – über Quanten wird rege diskutiert…

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Dabei sind wir gar nicht so abgehoben oder gar magisch, wie viele behaupten, sondern bloss etwas ungewohnt für den menschlichen Denkapparat!

Hier sollte Kathi Keinsteins Beitrag zum Scienceblogs-Schreibwettbewerb stehen – die perfekte Gelegenheit, sich einzuklinken und mit ein paar intimen Einblicken in unsere Welt für Klarheit zu sorgen.

Was sind Quanten?

Wir sind Quanten. Nein, keine Füsse. Wir sind ausgewählte und voneinander abgegrenzte, also “diskrete” Portionen physikalischer Grössen. Mehr nicht. Aber für euch fangen wir gerne etwas ausführlicher von vorn an:

Die meisten Menschen haben die Erfahrung gemacht, dass eine physikalische Grösse jeden beliebigen Wert annehmen kann: Ein Auto kann (bis zum technisch möglichen Maximum) jede beliebige Geschwindigkeit (und damit jede beliebige Bewegungsenergie) haben. Und wenn es beschleunigt, durchläuft es all diese Geschwindigkeiten nahtlos hintereinander.

Vor etwas über 100 Jahren sind schlaue Köpfe jedoch darauf gestossen, dass das so nicht ganz stimmt. Die haben sich allerdings nicht mit Autos beschäftigt, sondern mit den wirklich kleinen Bausteinen der Welt. Und als sie diese Kleinteile mit physikalischen Grössen beschreiben wollten, fiel ihnen auf, dass diese Grössen nicht mehr jeden beliebigen Wert annehmen konnten, sondern nur ganzzahlige Vielfache winzigkleiner Mindestwerte. Und diese Mindestwerte sind wir – die Quanten.

Die Entdeckung der Quanten: Energie von Schwingungen

Die populärsten unter uns sind wohl die Lichtquanten, die ihr auch “Photonen” nennt, wie sie zum Beispiel von eurem Bildschirm abgestrahlt werden und in euren Augen chemische Reaktionen auslösen, die euch diesen Text sehen lassen. Lichtquanten sind minimal kleine Energie-Portionen, deren jeweilige Grösse von der Frequenz n des jeweiligen Lichtes abhängt:

E_istgleich_h_mal_ny

Das h in der Gleichung ist übrigens das Wirkungsquant – eine Naturkonstante und quasi die Mutter aller Quanten. Denn diese wirklich total winzig kleine Zahl (rund 6,626*10^-31 Js) ist der Faktor, der unsere “Portionsgrösse” festlegt. Und wer ein wenig vom Rechnen versteht, ahnt nun schon, wie die ausfällt: Nämlich wirklich total winzig klein – für Frequenzen im irgendwie vorstellbaren Bereich.

Die Frequenz ist wiederum die Anzahl Schwingungen eines Systems pro Zeiteinheit. Wenn es um Quanten geht, kommt man um Schwingungen, also um periodisch wiederkehrende Abläufe, also nicht herum. So nahm Max Planck, der erste Mensch, dem wir in den Sinn kamen, an, dass unser Usprung in den Schwingungen der Bausteine der Materie läge. Diese Schwingungen, so Planck, könnten nur auf diskreten “Energie-Niveaus” ablaufen und damit nur diskrete Energieportionen von sich geben.

Damit hatte Planck im Grunde genommen auch recht: Die Energie-Niveaus gibt es wirklich. Ihr nennt sie “Orbitale” von Atomen (oder Molekülen) und sie können von “schwingenden” Elektronen besetzt werden. Dazwischen befinden sich verbotene Zonen, in denen sich kein Elektron aufhalten darf. Und trotzdem ist das Unmögliche möglich: Die Elektronen können über die verbotenen Zonen hinweg von einem Orbital ins andere “springen”. Eure Physiker nennen so etwas einen “Quantensprung” – und alle anderen Menschen verwenden dieses Wort gerne auch für alle anderen Arten sehr schneller, grosser Fortschritte.

In vereinfachter Form finden Energieniveaus und Quantensprünge bis heute in dem Schalen- oder “Hochhaus”-Modell Verwendung, mit dem Kathi Keinstein und die meisten Chemielehrer spannende Lichterscheinungen wie Farben, Fluoreszenz und Laserstrahlen erklären können.

Das Problem mit den Wellen

Erst ein weiterer kluger Kopf, nämlich Albert Einstein höchstpersönlich, ergänzte ein paar Jahre später, dass auch das Licht als solches portioniert sei, also aus Energie-Quanten bestehe. Das lässt sich leicht nachvollziehen, wenn man sich mit der Funktionsweise einer Solarzelle beschäftigt. Die beruht nämlich darauf, dass Licht in der Lage ist, einzelne Elektronen aus der Oberfläche von Halbleitern (oder Metallen) zu schleudern.

In Stockholm anerkannt: Auch Einstein hatte recht: Lichtquanten lösen Elektronen aus einer Oberfläche! (gemeinfrei)

In Stockholm anerkannt: Auch Einstein hatte recht: Lichtquanten lösen Elektronen aus einer Oberfläche! (gemeinfrei)

Wie eine Billardkugel setzt ein Teilchen sich nämlich dann in Bewegung, wenn es von einem anderen Teilchen (bzw. einer anderen Billardkugel) angestossen wird. Demnach sollten Lichtportionen oder -“teilchen” die Rolle der weissen Kugel übernehmen und die Elektronen aus ihrer Bindung stossen können…

Oder doch nicht…? 1905, als Einstein mit seiner Idee von den Lichtquanten kam, war der Wissenschaft nämlich längst wohlbekannt, dass Licht aus elektromagnetischen Wellen besteht. Wellen sind periodisch wiederkehrende Erscheinungen, die sich ausbreiten – und von Schwingungen verursacht werden. In Experimenten kann man nachweisen, dass sich überschneidende Lichtwellen zu den gleichen Mustern führen wie einander kreuzende Wasserwellen: Es gibt Intereferenz!

Gruss aus der Quantenwelt: Materieteilchen zeigen Interferenz! (Urheber: © TU Wien, mit freundlicher Genehmigung)

Oben: Interferenz zweier sich kreisförmig ausbreitender Wasserwellen nach Beugung an zwei Spalten. (gemeinfrei) Unten: Interferenz von Laser-Lichtwellen nach Beugung an einem Gitter aus mehreren Spalten. (Urheber: Shim’on and Slava Rybka [CC BY 3.0], via Wikimedia Commons)

Also was denn nun? Schlussendlich haben beide Behauptungen ihre Richtigkeit, auch wenn sie einander widersprechen: Teilchenströme erzeugen kein Interferenzmuster, Wellen stossen keine Teilchen an. Trotzdem kann Licht beides. Bis heute hat bloss noch kein Mensch ein anschauliches Modell gefunden, das alle Eigenschaften des Lichts unter einen Hut bringt. Deshalb sprecht ihr Menschen heute vom “dualistischen Modell”, wenn ihr sagt, dass Licht sowohl Eigenschaften von Wellen als auch von Teilchen hat.

Vom Licht zu Materiewellen

In der Mathematik ist die Sache etwas einfacher. Sowohl Wellen als auch Teilchen lassen sich mit mathematischen Gleichungen beschreiben, für welche überall und jederzeit die gleichen Regeln gelten. Zum Beispiel jene, die besagt, dass Ausdrücke in Gleichungen, welche in einer ihrer Seiten übereinstimmen, gleichgesetzt werden dürfen. Daran hielt sich auch Louis de Broglie, der zwei Gleichungen kannte: Jene für die Energie der Lichtquanten,

E_istgleich_h_mal_ny

Und die berühmte Gleichung Einsteins, welche die Äquivalenz von Masse und Energie zum Ausdruck bringt,

E_istgleich_mc_quadrat

In beiden steht auf der linken Seite “Energie”, was de Broglie dazu veranlasste, die beiden rechten Seiten gleich zu setzen und mit ein wenig Rechnen eine neue Gleichung zu erhalten, die aussagt: Jedes Teilchen – oder besser Objekt in Bewegung, das also mit Masse und Geschwindigkeit (also einem Impuls) aufwarten kann, hat auch eine Wellenlänge!

Demnach ist das dualistische Modell nicht nur für Licht zu gebrauchen, sondern ebenso für alle Arten von Materie. Und das haben Menschen im Experiment nachweisen können: Sie haben Interferenzmuster von Elektronen, Atomen und sogar recht grossen Molekülen wie dem Buckminsterfulleren oder gar Porphyrinen (Verwandten des Häm oder des Chlorophylls) mit bis zu 810 Atomen erzeugen können! Dass die Wellennatur von noch grösseren “Teilchen” wie Proteinen, Sandkörnern oder Tennisbällen nicht beobachtet werden kann, liegt einzig daran, dass deren Wellenlängen so kurz sind, dass bis heute (noch) kein Messgerät der Welt sie erfassen kann.

Und da man Gleichungen sowohl vor- als auch rückwärts lesen kann, zeigt sich, dass wo Wellen vorkommen, auch Quanten nicht weit sind: Elektronen sind die Quanten des Elektronenstrahls, der sich auch als Wellenbündel beschreiben lässt, Tennisbälle die Quanten des Bombardements aus der Ballmaschine…

Ihr seht: Im Grunde genommen sind wir Quanten gar nichts besonderes. In eurer alltäglichen Welt fallen wir bloss nicht auf, weil ihr unsere Wellen-Seite für eine zufriedenstellende Beschreibung eurer Beobachtungen nicht braucht. Sobald die Welleneigenschaften der Dinge aber messbar werden – und das ist bei sehr, sehr kleinen Dingen wie den “Elementarteilchen” der Fall – sieht die Sache ganz anders aus.

Von Materiewellen zur Quantenmechanik

So taugen Materiewellen nicht nur zur Beschreibung frei herumfliegender Teilchen, sondern auch von “gebundenen” Teilchen, zum Beispiel von Elektronen in Atomen, Molekülen oder anderen Verbindungen. Dazu geht man nicht von sich ausbreitenden, sondern von “stehenden”, in einem begrenzten Bereich “gefangenen” Wellen aus, wie man sie von einer schwingenden Geigensaite her kennt.

Nur Wellen im Kopf: Kathi Keinstein macht auch in ihrer Freizeit stehende Wellen. (Urheber: Die Elektronen-Quanten in der Selbstauslöser-Steuerung ;) )

Nur Wellen im Kopf: Kathi Keinstein macht auch in ihrer Freizeit stehende Wellen. (Urheber: Die Elektronen-Quanten in der Selbstauslöser-Steuerung 😉 )

Die Mathematik dieser Materiewellen wird Quantenmechanik genannt. Analog zur klassischen Mechanik für das Verhalten alltäglicher, greifbarer Materieportionen beschreibt sie das Verhalten sehr kleiner Materieportionen (“Quantenteilchen”* eben). Die wohl populärste solche Mathematik ist die Schrödinger-Gleichung, die die Wellenfunktion einer stehenden Welle (z.B.) für ein Elektron im Atom beschreibt.

*dieser Pleonasmus, ein menschengemachtes Stilmittel, das auf der Zusammensetzung bedeutungsgleicher Wörter beruht, unterstreicht sehr schön, unter welchen Umständen wir für euch erst von Bedeutung sind: Wenn wir wirklich total winzig klein (und damit ebenso leicht) sind.

Warum wir Quanten den Menschen ungewohnt erscheinen

Ihr Menschen seid von Beobachtungen aus eurem Alltag gewohnt, dass die Dinge wie folgt ablaufen:

  1. Wenn man in eine Radarfalle fährt, zeigt das Foto nachher sehr genau, wo das Auto sich befand und welche Geschwindigkeit (und damit welchen Impuls) es hatte, gleich in welcher Reihenfolge diese Werte bestimmt werden. Auch wenn ihr das beim Anblick des Strafzettels noch so bedauert.
  2. Ein Objekt in einem festgelegten Zustand hat bestimmte Eigenschaften (“Zahlenwerte”): Wenn man Kugeln unter identischen Bedingungen abfeuert, landen sie alle am gleichen festgelegten Ort. Ein guter Schütze mit ruhiger Hand trifft deshalb bei gleichbleibenden Windverhältnissen wiederholt ins Schwarze.
  3. Wenn man die Bahn einer Kugel berechnet und sie nach dem Abfeuern beobachtet, findet man die Kugel verlässlich zu jeder Zeit am erwarteten Ort und nur da – einschliesslich des Treffers, den der Schütze anschliessend auf der Zielscheibe begutachten kann.
  4. Wenn man die Kugel durch eine Lichtschranke feuert und so ihre Flugbahn und Geschwindigkeit detektiert, ändert das am Treffer nichts.

Was die wirklich kleinen Quanten tun:

  1. Wenn man ein Quant mit einer “Radarfalle” erfasst, ist entweder das “Foto” unscharf oder die Geschwindigkeit wird ungenau erfasst. Beides zusammen lässt sich nicht genau festhalten!
  2. Wenn man einen Lichtstrahl auf einen “Schirm” richtet und die dort auftreffenden Lichtquanten einzeln detektiert, stellt man fest, dass unter gleichartigen Bedingungen abgestrahlte Quanten zufällig verteilt auftreffen – versucht man, den Strahl durch einen Spalt einzugrenzen, zeigt sich eine eingeschränkte, aber nach wie vor zufällige Verteilung!
  3. Verwendet man zwei Spalte statt einem, zeigt sich statt zwei Verteilungen ein Interferenzmuster! Das heisst, die Quanten bringen es irgendwie fertig, beide Spalte zugleich zu durchfliegen, was eine Interferenz erst möglich macht. Den befremdlichen Umstand, dass Quanten mehr als einen Zustand (hier ihre Position bzw. ihre Flugbahn) gleichzeitig einnehmen können, hat Erwin Schrödinger (genau, der mit der Gleichung) mit seiner berühmten Analogie mit der Katze in der Kiste greifbarer zu machen versucht.
  4. Wenn man zudem erfasst, durch welchen Spalt jedes Lichtquant fliegt, gibt es kein Interferenzmuster mehr: Die Messung verändert den Zustand der Quanten von “durch beide Spalten gleichzeitig” zu “durch einen bestimmten Spalt”!

Das alles war übrigens selbst einem schlauen Kopf wie Einstein nicht geheuer, zumal es mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie nicht in Einklang gebracht werden konnte und kann.

Warum erscheint euch die Quantenwelt so anders?

Der Knackpunkt, der zu allen anderen Seltsamkeiten rund um uns Quanten führt, ist der Umstand, dass wir unseren Zustand ändern, sobald wir uns beobachtet fühlen (Punkt 4). Denn je nachdem, welche Eigenschaft ihr beobachtet (messt), ist diese Änderung eine andere. Das bedeutet, wenn ihr Beobachtungen verschiedener Eigenschaften anstellt, kann unser Endzustand – das Resultat der Verkettung der Beobachtungen – unterschiedlich ausfallen, je nachdem, welche Reihenfolge eure Messvorgänge haben!

Eine “Beobachtung” oder “Messung” ist übrigens nichts anderes als eine Wechselwirkung zwischen Objekten. Einfach gesagt: Wenn ihr etwas anschaut, sind Lichtquanten auf die elementaren Bestandteile dieses Etwas gefallen, haben sich mit diesen ausgetauscht und sich anschliessend weiter bis in euer Auge ausgebreitet, um dort erneut zu wechselwirken und so den Eindruck des Sehens zu erwecken. Technische Messgeräte funktionieren im Prinzip auch nicht anders.

Da somit jede eurer Beobachtungen eine ganze Menge von Wechselwirkungen zwischen winzigen Objekten mit sich bringt, könnt ihr deren Reihenfolge letztlich nicht kontrollieren. So “seht” ihr die vermeintlich gleichartig abgestrahlten Lichtquanten zwangsläufig wie zufällig auf dem Detektorschirm verteilt. Und das ist natürlich sehr unbefriedigend.

Wie sich Quantenphysiker in dieser befremdlichen Welt behelfen

Zum Glück haben kluge Köpfe auch da einen mathematischen Ausweg gefunden : Statt den Eigenschaften von sehr kleinen Objekten berechnet man die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eben dieser Eigenschaften – denn das liefert “greifbare” Ergebnisse:

Max Born hat dazu für eine Materiewelle Psi als Funktion von Ort und Zeit festgelegt: Die Wahrscheinlichkeit, mit der sich das “Objekt” Psi zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort aufhält, ist |Psi|^2 . Wo ihr uns also nicht direkt erfassen könnt, könnt ihr angeben, mit welcher Wahrscheinlichkeit ihr uns dort erfassen solltet. An verschiedenen Orten (bzw. in verschiedenen Zuständen) befinden wir uns also mit verschiedenen Wahrscheinlichkeiten.

Die Breite, über die sich solche Wahrscheinlichkeiten, die sich (massgeblich) von Null unterscheiden, verteilen, ist dabei eine genau nachvollziehbare Eigenschaft unsereines in der sonst so unscharfen Quantenwelt. So gibt zum Beispiel die Breite der Verteilung der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten von Elektronen einem Atom seine Grösse – und den Orbitalen darin ihre “Gestalt”, die sich sogar in einem grafischen Modell darstellen lässt:

Darstellung eines 1s-Orbitals eines Wasserstoff-Atoms: Je dichter die Punkte, desto wahrscheinlicher würde auf einer "Momentaufnahme" des Atoms dort ein Elektron zu finden sein! (Urheber: RJHall (Own work) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

Darstellung eines 1s-Orbitals eines Wasserstoff-Atoms: Je dichter die Punkte, desto wahrscheinlicher würde auf einer “Momentaufnahme” des Atoms dort ein Elektron zu finden sein! (Urheber: RJHall (Own work) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

Und was sind nun eigentlich Quantenfelder?

Bislang hat sich alle Quanten-Mathematik in diesem Artikel auf “abgegrenzte” Objekte, “Teilchen” bezogen. Ein “Feld” geht einen Schritt weiter: Dieses Stück Mathematik beschreibt die räumliche Verteilung einer solchen Grösse, beinhaltet also die Werte dieser Grösse (=”Feldstärke”) an allen Punkten eines Raumes. Ein Feld ist also zunächst einmal eine Zahlensammlung, ein mathematisches Werkzeug.

Manche Felder sind allerdings darüber hinaus richtige physikalische “Objekte”: Man kann ihre Bewegung mit sogenannten “Feldgleichungen” mathematisch beschreiben, wie z.B. für das elektrische und magnetische Feld mit den Maxwell-Gleichungen. Solche Felder haben zudem Eigenschaften wie Energie, Impuls bzw. Drehimpuls und können diese mit Körpern austauschen. So lässt sich Kraftwirkung zwischen Körpern im leeren Raum erklären: Ein Körper wechselwirkt mit einem Feld, und das Feld wechselwirkt wiederum mit einem anderen, vom ersten entfernten Körper.

Gemäss der Quantenfeldtheorie (eigentlich ist “eine Quantenfeldtheorie” eine Sammlung von Theorien, also mathematischem Werkzeug, für verschiedene Sorten Felder) sind – analog zur Quantenmechanik für Einzel-“Teilchen”- auch für die möglichen Verteilungen der Feldstärke diskrete “Stufen” vorgeschrieben. Die kleinstmöglichen diskreten Portionen von Feldstärken-Verteilungen werden dementsprechend “Feldquanten” genannt. Warum die Wissenschaftler nun von Quantenfeldtheorien und nicht von Feldquantentheorien sprechen, können wir euch allerdings nicht beantworten.

Nichts desto trotz sind Quantenfeldtheorien eine feine Sache. Aus ihnen können nämlich alle Eigenschaften der Materie und Kräfte entwickelt werden: Die Feldquanten entsprechen fundamentalen Elementarteilchen. Die werden in Materieteilchen und Austauschteilchen eingeteilt. Die wohl populärste und etablierteste solche Theorien-Sammlung ist wohl das “Standardmodell”, das alle Bestandteile der Materie und Kräfte umfasst – ausser der Gravitation. Die Suche nach einem Weg, die Gravitation und das, was die allgemeine Relativitätstheorie über sie sagt, nahtlos in die Sammlung des Standardmodells einzufügen und somit eine “grosse einheitliche Theorie” für den Aufbau der Welt zu schaffen, ist eine der spannenden Aufgaben eurer heutigen Physiker (deswegen verraten wir jetzt auch nicht, wie das geht – dann wäre ihnen ja fortan langweilig).

Wenn ihr nun aber mehr über Quantenfeldtheorien erfahren möchtet, findet ihr bei Martin Bäker von “Hier wohnen Drachen” eine sehr ausführliche Artikelserie darüber (–> ganz unten: “Quantenfeldtheorie für alle”).

Fazit

Quanten, ob als Grössen- oder Feldportionen, sind grundlegender Teil eines – zugegeben nicht ganz alltagsnahen – mathematischen Modells, also einer (ziemlich genauen, aber bis heute nicht ganz lupenreinen bzw. vollständigen) mathematischen Beschreibung der Natur der Welt.

Seiner dem Menschen ungewohnten Inhalte wegen, die es schwer verständlich machen, erscheint dieses Modell vielen “geheimnisvoll” bzw. “mystisch”, oder gar als willkommene Fundgrube für die Ausschmückung esoterischer “Weisheiten”. Aber es bleibt letztlich eines: Eine – zweifellos spannende – Sammlung mathematischer Werkzeuge. Und was eure Wissenschaftler damit bislang geschaffen haben und noch schaffen werden, ist eine wirklich aufregende Sache – auch ganz ohne Magie oder Esoterik.

Mit wahrscheinlich besten Grüssen aus dem Mikrokosmos,
Eure Quanten

Kommentare (71)

  1. #1 Kathi Keinstein
    19. September 2017

    Hallo Florian

    Ich freue mich total, dass mein Beitrag endlich ins Rennen geht :). Allerdings habe ich einen Schnitzer in Sachen Bild-Formatierung entdeckt:

    Das dritte Bild mit den Interferenzmustern trägt die falsche Bildunterschrift und damit vor allem die falschen Urheber-Angaben! (In meiner Vorlage stehen allerdings die richtigen Angaben – habs gerade nochmal überprüft.)

    Für eine Korrektur zu unser aller Rechtssicherheit wäre ich daher dankbar!

    Liebe Grüsse,
    Kathi

  2. #2 Florian Freistetter
    19. September 2017

    @Kathi: Sorry! Das ändere ich sofort wenn ich wieder an meinem Arbeitsplatz bin (in ca ner Stunde).

  3. #3 knorke
    19. September 2017

    Mit einem Teil komme ich inhaltlich nicht klar: Früher habe ich gedacht, dass die Unschärfe davon kommt, dass man mit dem beobachteten Objekt wechselwirkt, so wie es hier steht. Dann habe ich aus Diskussionen hier bei SB mitgenommen, dass das nicht das eigentlich Kernproblem ist, sondern das der Zustand sozusagen prinzipiell unscharf ist, nicht (nur) wegen der Wechselwirkung bei der Beobachtung. Ganz Laienhaft ausgedrückt. Kann mir einer sagen, wie es sich nun verhält? Verwechsel ich was?

  4. #4 RPGNo1
    19. September 2017

    Puh, schwerer Blog-Stoff. Das kommt aber daher, dass ich zur Physik schon immer nur einen begrenzten Verständniszugang hatte und habe. Mein Gehirn ist zu sehr biologisch-chemisch gepolt. Nichtsdestoweniger gefällt mir der lockere Schreibstil.

    Grüße an die Quanten! :)

  5. #5 Florian Freistetter
    19. September 2017

    @Kathi: Sollte jetzt erledigt sein.

  6. #6 Robert
    19. September 2017

    knorke,
    ….prinzipielle Unschärfe,
    meiner Meinung nach liegt das daran, dass die Quanten nur gedachte Punkte sind, die in Wirklichkeit ausgedehnt sind. Also das Quant ist kein winziges Kügelchen, sondern eine kleine Energiewelle. Ob das stimmt weiß ich nicht, vielleicht weiß da jemand anderes mehr.

  7. #7 Peter L
    19. September 2017

    Top-Erklärung, besonders wie man mit den De-Broglie-Gleichungen von den elektromagnetischen zu den Materiewellen kommt. Für mich die bisher beste Erklärung des Zusammenhangs.

    2 Kritiken hätte ich aber doch:
    1. Der gewählte Standpunkt. Mit Erzählungen aus der Sicht des Teilchens/Tiers/Objekts komm ich nicht so klar, aber das ist eine persönliche Sache.
    2. Wir sind Quanten. Nein, keine Füsse. Kapier ich nicht.

  8. #8 Florian Freistetter
    19. September 2017

    @Peter L: In manchen deutschsprechenden Gegenden ist “Quanten” ein Ausdruck für “Füße”

  9. #9 tomtoo
    19. September 2017

    @Peter L
    2. Ist Dialekt. Man sagt zum Bsp. beweg mal deine Quanten etwas schneller, um ihn zum Beschleunigten Gehen/Laufen anzuregen. ; )

  10. #10 MartinB
    19. September 2017

    Vielleicht habe ich es überlesen (war nicht sehr gründlich), aber am Anfang wird der Eindruck erweckt, dass Energien oder Geschwindigkeiten auch gequantelt sind – was für freie teilchen ja absolut nicht zutrifft.

    Den gewählten Quanten-Erzählstandpunkt hätte ich mir etwas konsequenter gewünscht, so fand ich ihn etwas aufgesetzt.

  11. #11 Dampier
    19. September 2017

    Wie bei allen bisherigen Erklärungsversuchen der Quantenwelt, blieb es für mich auch hier nur bei einer vagen Vorstellung davon. Mehr ist wohl nicht drin.
    Also ganz gut beschrieben. Dieses “Hallo wir sind die Quanten” ist mir etwas zu “kindgerecht” und hätte zum Verständnis nicht notgetan, finde ich.

  12. #12 tomtoo
    19. September 2017

    @Robert
    Das ist ja das Problem mit diesem Wellen/Teilchen Dualismuss. Solange “das Ding” nicht interagiert verhält es sich wie eine Welle. Interagiert es aber (wie bei einer Messung) wird es zum Teilchen. So ich hoffe ich hab keinen Müll erzählt , dann wird @MartinB mit mir schimpfen. Und ich muss zu meiner Entschuldigung vorbringen “Bin ja kein Physiker , und meine vorlaute Klappe , wird durch meinen langjährigen Wohnort entschuldigt”
    ; )

  13. #13 Kathi Keinstein
    19. September 2017

    @Florian: Vielen Dank für die rasche Korrektur!

    @knorke: Ich kenne die hier genannte Erklärung für die Unschärfe, die durch die Heisenberg-Ungleichungen beschrieben wird (dass ich die nicht der Klarheit wegen namentlich eingebracht habe, ist wohl eine “Unschärfe”, die auf meine Kappe geht…). Die ist meinesachtens nicht zu verwechseln mit dem seltsamen Zustand, den ich mit “durch beide Spalte gleichzeitig” umschrieben habe!

    @Peter L : Florian und tomtoo haben es ja schon vorweg genommen: “Quanten” wird auch als Dialektausdruck für “Füsse” verwendet. Ich stamme ursprünglich aus dem Niederrheingebiet, mit westfälischen Vorfahren…irgendwo da ist es zu einem selbstverständlichen Bestandteil meines Wortschatzes geworden – interessant zu hören, dass das nicht überall so ist :).

    @MartinB : –> gequantelte Grössen: Wenn dieser Fehl-Eindruck entsteht, habe ich wohl die “klassischen” Grössen, die ich mir für den Einstieg über die “normale Welt” herausgegriffen habe, unglücklich gewählt.

    @PeterL/@MartinB : Der Erzählstandpunkt bzw. die Personifizierung von Teilchen und anderen Objekten ist in der Tat ein zweischneidiges Schwert und wurde auch in der Fachdidaktik rege diskutiert und kritisiert. Dennoch habe ich immer wieder die Erfahrung gemacht, dass sie (bei den meisten Zuhörern/Lesern) funktioniert (auch beim Schreibwettbewerb 😉 ), weshalb das “Wagnis” noch einmal eingegangen bin. Nächstes Jahr muss ich mir aber unbedingt mehr Zeit verschaffen, um das Ganze noch konsequenter durch zu ziehen.

  14. #14 RPGNo1
    19. September 2017

    Ich bin gebürtiger Niedersachse und kenne Quanten auch als umgangsprachlichen Begriff für Füße.
    Und was den Erzählstandpunkt betrifft: Da kommt bei Kathi Keinstein die Didaktik einer Lehrerin zum Ausdruck. :)

  15. #15 bruno
    19. September 2017

    Schraibwaise: den Wechsel aus Sicht des Teilchens und eines neutralen Beobachers finde ich als Leser schwierig… brauchte mehrere Anläufe, den Text zu erarbeiten.
    Neoplasmus: ich weiss ja nicht… ich verwechsel das auch immer mit Tautologien, Hendiadyoins und Oxymorons… oder wie die Viechterl so heissen…

  16. #16 Robert
    19. September 2017

    tomtoo,
    …Welle und Teilchen,
    Ich denke mir das so, dass die Welle “lang” ist, während das Teilchen eine stehende “Kreiswelle” ist.

  17. #17 Alderamin
    19. September 2017

    Hat mir gut gefallen. Vielleicht ein bisschen zu viel Stoff in den Artikel gepackt, aber ansonsten nett umgesetzt. Bis jetzt einer der besten Artikel für mich.

  18. #18 MartinB
    19. September 2017

    @tomtoo
    Für den Hausgebrauch ist “Was sich ausbreitet ist ne Welle, was interagiert ist ein Teilchen” meist ne ganz gute Faustregel

    @keinstein
    Ich finde den Quantenerzählstandpunkt durchaus gut – er ist mir nur eben nicht konsequent genug durchgezogen; abgesehen vom gelegentlichen “wir” merkt man in weiten teilen des textes nicht viel davon, dass er aus “Quantensicht” geschrieben ist.

  19. #19 irma
    19. September 2017

    Interessanter Artikel! Gut geschrieben und informativ!
    Ich wusste nicht, dass sich 810 Atome durch einen Doppelspalt quetschen lassen – und dennoch wie ein “Fuss” reagieren.
    btw – ein “Fuss” sind 30,48 cm – wie gross ist der Doppelspalt?

    Und als lebende Kölnerin aber gebürtige Niedersächsin kann ich bestätigen, dass “Quanten” mächtig grosse “Füsse” sind!!

  20. #20 Krypto
    19. September 2017

    Für mich der wahrscheinlich schönste Beitrag des diesjährigen Wettbewerbs.
    Dankeschön, Quanthi 😉

  21. #21 Tina_HH
    19. September 2017

    Schöner Artikel, aber aufgrund des sehr schwierigen und sehr umfangreichen Themas nicht ganz so easy zu lesen (zumindest für mich als Nicht-Physikerin).

    Das hier fand ich echt witzig:

    …ist eine der spannenden Aufgaben eurer heutigen Physiker (deswegen verraten wir jetzt auch nicht, wie das geht – dann wäre ihnen ja fortan langweilig).

    Davon hätte gern noch mehr im Artikel auftauchen dürfen. Aber alles in allem: Top!

  22. #22 tomtoo
    19. September 2017

    Da ich ja alle Artikel zu 110% subjektiv bewerte, ist es für mich einfach zu sagen: Ganz klar mein Lieblingsartikel bis jetzt. Aber das mit den Quantenfeldern..oi..oi. Nicht ganz einfach.

  23. #23 Heino Wedig
    Eckernförde
    19. September 2017

    @Kathi
    Vielen Dank für diesen tollen Beitrag. Ich fand ihn spitze, er hat mir neue Denkanstöße gegeben und neue Zugänge zu einem mir eher unvorstellbaren Bereich eröffnet. Den Blickwinkel aus der Sicht der Quanten habe ich – wohl auf Grund meines kindisch-kindlichen Gemütes – voll akzeptiert.

  24. #24 sherfolder
    19. September 2017

    Schwierige Materie, verständlich und unterhaltsam erklärt. Bisher der für mich beste Artikel im Wettbewerb.

  25. #25 Peter Paul
    19. September 2017

    @knorke
    Zur Unschärfe: ein einzelnes Quant ist nicht unscharf in dem Sinne, dass es irgendwie 10 Geschwindigkeiten und 10 Orte, mehr oder weniger dicht beieinander hat, so wie man das vielleicht von einer unscharfen Fotografie her kennt. Dort ist vielleicht eine Pupille, die auf dem Foto eigentlich nur 1 Pixel groß ist, auf vielleicht 5Pixel verteilt, und so geht es dann allen “Punkten” des fotografierten Objekts. Jeder Punkt des Objekts ist auf mehrere Pixel des Bilds verteilt. Das ist die normale, also nicht die quantenmechanische Unschärfe.

    In der klassischen Physik gehen wir davon aus, dass ein Auto in jedem Moment einen Ort und eine Geschwindigkeit hat, und die Polizei misst diese bereits existierenden Werte, weil sie sie eben auch wissen will.

    Bei Quantenobjekten ist das grundsätzlich anders. Sie haben beides gar nicht. Beide Werte sind nicht existent, bis gemessen bzw. präpariert wird. Mit der “Messung”, (z.B. dadurch, dass man ein Quantenobjekt durch einen Spalt lässt) ist der Ort “gemessen” bzw. bestimmt, aber nicht die Geschwindigkeit. Das Quantenobjekt hat jetzt noch gar keine Geschwindigkeit, auch nicht die Geschwindigkeit 0, es hat die Eigenschaft “Geschwindigkeit” noch gar nicht. Erst wenn man nun irgendwie die Geschwindigkeit misst, ist die Geschwindigkeit bestimmt, und zwar ganz eindeutig, da ist gar nichts verschmiert, allerdings ist dann die Ortsinformation wieder weg, bis zur nächsten Ortsmessung, nach der dann wieder die Geschwindigkeit “weg” ist…. So ist es, wenn man einzelne Quantenobjekte misst. Solche Versuchemit einzelnen Quantenobjekten kann man seit, ich schätze mal, 30 Jahren machen.

    Vorher war das nicht möglich. Man hat immer mit ganz vielen Quanten gearbeitet, z.B. mit einem Lichtstrahl mit Millionen oder Milliarden…. einzelnen, in ihrer Impulsrichtung präparierten, Photonen. Für jedes einzelne Photon gilt das oben Gesagte, aber in solchen “Massenversuchen” stellt sich das dann ganz anders dar: Der Ort wird für die Photonen durch den Spalt relativ genau bestimmt, das heißt, nach Durchlaufen des Spalts sind die Photonen mit einer gewissen kleinen Ortsunschärfe “präpariert”. Diese präparierten Photonen fliegen nun weiter auf einen Auffangschirm, und jedes Einzelne trifft dann irgendwo auf dem Schirm auf, völlig unvorhersehbar wo(m.E.), d.h. sie haben ihre Impulspräparation verloren, denn sie haben jetzt ganz unterschiedliche Impulse, quer zu ihrer eigentlichen Flugrichtung bekommen. Aber das stimmt nur für das Einzelne. Für die Gesamtmenge gibt es eine Statistik. Die Einschläge der Photonen streuen statistisch um den zunächst angezielten Punkt, und zu dieser statistischen Streuung sagt die Heisenbergsche Unschärferelation etwas. Je kleiner die Ortsunschärfe (das ist die statistische mittlere Abweichung vom Mittelwert. Hier wäre das etwa die Breite des Spalts), desto größer ist die Impulsunschärfe (das ist die mittlere statistische Abweichung vom Impulsmittelwert). Aber: Jedes einzelne Photon trifft auf “seinen” Punkt auf dem Schirm auf, und dadurch ist sein ganz genauer Impulswert bestimmt. Aber diese Punkte streuen um den Mittelwert, weil die Impulswerte um einen Mittelwert streuen.
    Das kommt nicht daher, dass die Photonen etwa mit den Rändern des Spaltes unterschiedlich wechselwirken, sondern es kommt daher, dass die Photonen an verschiedenen Punkten durch den Spalt gehen können, wg. der Ortsunschärfe, völlig wurscht, aus welchem Material die Ränder sind.

    Macht man den Versuch mit einem Doppelspalt, dann öffnet man den Photonen auf ganz spezifische Weise noch weitere Ortsmöglichkeiten und das führt dann, auf bestimmte Weise, zu anderen Impulsunschärfen.

    Deshalb sieht das Beugungsbild hinter einem Doppelspalt auch ganz anders aus, als wenn man zwei Beugungsbilder der jeweils einzelnen Spalte miteinander überlagert.

    Die verbreitete Sprechweise, die dem einzelnen Quantenobjekt eine Unschärfe zuordnet ist ungenau, weil hier eine statistische Aussage über viele Quantenobjekte einem einzelnen Objekt zugesprochen wird. Das erinnert mich immer an die Kommentare nach einer Wahl, wo vom sogenannten “Wählerwille” gesprochen wird. Jeder einzelne Wähler wollte etwas anderes, aber am Schluss ergibt sich statistisch, dass z.B. die CDU die meisten Stimmen, z.B. 35% bekommen hat. Dann wird behauptet, der Wählerwille sei, dass die CDU die Regierung führen soll. Nö!! 65% wollten das nicht. Also ist der Wählerwille, dass die CDU nicht regieren soll. Oder?
    Kurz: Wählen gehen, nicht vergessen!

  26. #26 StefanL
    19. September 2017

    Irgendwie passend zum Thema : silikontropfen-simulieren-die-quantenmechanik

  27. #27 Bernd
    19. September 2017

    Hat mir gut gefallen, ist für mich ein Kandidat für den Spitzenplatz.
    Was könnte man (m.E.) verbessern? Wenn man sich für das Quantum als Erzähler entscheidet, wäre Konsequenz hilfreich. So entsteht beim Lesen öfter ein “Hä? – Effekt”. Ist aber nicht weiter tragisch.

  28. #28 Cornelia S. Gliem
    20. September 2017

    “Hey – immer sind die Quanten schuld!” Zitat Ridcully von der Unsightbaren Universität (Terry Pratchett Scheibenwelt).. und wenn Leute von sich in der dritten Person sprechen…. :-), das musste ich denken, bevor ich irgendwann nach dem 5 Satz ) gemerkt habe, dass aus Sicht der Quanten geschrieben wird.
    aber grundsätzlich guter Artikel – gut verdeutlicht – besonders mit der mathematischen Gleichsetzung von de Broglie.

  29. #29 schlappohr
    20. September 2017

    Super Artikel, gefällt mir. Der “Quantenstandpunkt” ist gewöhnungsbedürftig, aber ok.

    Eine Sache ist mir aufgefallen, ist vielleicht auch ein falsches Verständnis meinerseits (oder ich habe es schlicht überlesen). Es geht um den Doppelspaltversuch mit Wasserwellen und Photonen. Als ich zum ersten mal davon las, habe ich den die Aufregung um dieses Experiment nicht verstanden. Wasser besteht aus vielen Teilen, die sich zusammen wie eine Welle verhalten können. Warum sollte das bei Photonen anders sein? Es hätte mich eher gewundert, wenn es _kein_ Interferenzmuster auf dem Schirm gibt. In irgendeinem Buch wurde in einem Nebensatz auf den Kern des Problems verwiesen: Das Interferenzmuster tritt im Laufe der Zeit auch dann auf, wenn _einzelne_ Photonen _nacheinander_ das Gitter passieren. Nur dann wird klar, dass bereits ein einzelnes Photon einen inhärenten Wellencharakter hat und sozusagen beide Spalte gleichzeitig passiert. Mit einzelnen makroskopischen Teilchen funktioniert das nicht. Ich halte das für einen zentralen Aspekt des DS-Experiments, auf den man unbedingt hinweisen sollte, oder bin ich da auf dem Holzweg?

  30. #30 Peter Paul
    20. September 2017

    @schlappohr
    Leider auf dem Holzweg. Wenn auch ein einzelnes Photon im klassischen Sinne eine Welle wäre, dann würde es auch als solche auf dem Auffangschirm ankommen. Dort würde es ein Interferenzmuster “abliefern”, so wie es eine Wasserwelle auch tatsächlich tut. Das tut so ein einzelnes Photon aber nicht.

    Es kommt immer an einem “Punkt” an, dessen Lage sich nicht vorhersagen lässt. Erst wenn man viele Photonen durchlaufen lässt bilden diese Punkte durch zufälliges Anhäufen in bestimmten Bereichen das bekannte Interferenzmuster. In #25 habe ich versucht diese Sache ausführlich zu erklären.

  31. #31 schlappohr
    20. September 2017

    @Peter Paul,

    Ein einzelnes Photon liefert natürlich kein Interferenzmuster sondern einen Punkt. Aber das Muster bildet sich auch, wenn man viele Photonen einzelnen (eins nach dem anderen) durch das Gitter schickt, sodass es keine Wechselwirkung der Photonen untereinander geben kann. Sie können also nicht gemeinsam eine Welle bilden wie die Wassermoleküle. Daher muss jedes Photon für sich schon Welleneigenschaften haben. Wäre das nicht der Fall, so würde man einfach hinter jedem Spalt eine Häufung messen, aber kein Interferenzmuster.

  32. #32 schlappohr
    20. September 2017

    Anders formuliert: In dem Moment, wo das Photon den Schirm trifft, findet eine Messung statt. Die Wellenfunktion kollabiert und es gibt einen genau definierten Auftreffpunkt. Aber die statistische Verteilung der vielen nacheinander entstehenden Auftreffpunkte in Form eines I-Musters kann nur entstehen, wenn _jedes_ Photon vor dem Auftreffen Wellencharakter hatte. (Also, so habe ich es verstanden).

  33. #33 tomtoo
    20. September 2017

    Könnte mir das jemand ohne Mathe erklären.

    Wie kann ich mir das vorstellen ? Ist das Photon über den “ganzen Raum” verschmiert bis es interagiert. Und wie groß ist der “ganze Raum” ? Ist der abhängig von der Frequenz des Photons ? Also wie weit dürfen die Schlitze voneinander entfernt sein ? Bei Gammaphotonen müssen die da enger zusammenstehen als bei IRPhotonen z. B ?

  34. #34 }][{
    20. September 2017

    Aus dem Begriff Käsequanten hat sich dann der Begriff Quark herauskristallisiert.

  35. #35 tomtoo
    20. September 2017

    @}][{
    Populärwissenschaftlich wird das anders dargestellt , aber deine Erklärung scheint mir plausibler. : )

  36. #36 Alderamin
    20. September 2017

    @tomtoo

    Nach Feynman geht ein Quantenteilchen jeden möglichen Weg mit definierter Gewichtung und Phase, die am Ziel alle interferieren (phasengerecht aufsummiert werden, d.h. es löschen sich fast alle Wege gegenseitig aus, der oder die wahrscheinlichsten Wege bleiben übrig).

    Martin hat eine 4-teilige Reihe darüber geschrieben.
    Teil 1 (den Rest suchst Du dann bei ihm im Blog).

  37. #37 Hoffmann
    20. September 2017

    Ein sehr guter Artikel. Unterhaltsam aufbereitet und dadurch leicht zu lesen, ohne oberflächlich zu sein. Die Diskussion im Kommentartstrang bietet zudem noch weitere Hintergrundinformationen, die den Artikel auf willkommene Weise ergänzen. In meinem Ranking bisher ganz oben.

  38. #38 tomtoo
    20. September 2017

    @Alderamin
    Danke !

  39. #39 Kathi Keinstein
    Pfäffikon SZ
    20. September 2017

    Ich danke euch zwischendurch allen schonmal für das viele Lob und freue mich riesig, dass der Artikel trotz seiner kleinen Schwächen so gut ankommt :)!

    Ausserdem finde ich toll, dass ihr einander so eifrig weiterhelft und zusätzliche Informationen liefert, sodass ich mich nur noch halb so sehr grämen muss, zu sehr beruflich eingebunden zu sein, um selbst längere, präzise Erklärungen zu tippen. Danke also auch für eure rege Beteiligung!

  40. #40 Peter Paul
    20. September 2017

    @schlappohr
    Das mit dem Wellencharakter ist schon ganz nett, wenn man weiß, was das denn sein soll. Welle? Weiß man. Charakter? Wahrscheinlich auch. Aber was versteht man unter dem Wellencharakter von so einem Photon? Jeder normale Mensch denkt dabei natürlich einfach an eine klassische Welle, aber das ist eben ein falsches Bild, warum habe ich ja oben erklärt. Letztlich musst du das dann bei Martin nachlesen (Link in #36 bei alderamin), und da bleibt dann von dem, was sich der Mensch als Welle vorstellt, verdammt wenig übrig.

  41. #41 Peter Paul
    20. September 2017

    @schlappohr
    Auch der Kollaps der Wellenfunktion ist so eine Sprechweise, die früher sehr gebräuchlich war. Bloß, was soll das denn bedeuten? Die Wellenfunktion ist eine komplexwertige Funktion, d.h., die Funktionswerte sind komplexe Zahlen. Und was geschieht wirklich, wenn so was zusammenbricht? Und wo bricht sie zusammen? Überall? Oder dort wo das Photon dann nachgewiesen wird? Und wie schnell geht dieser Kollaps vor sicht? Braucht er überhaupt Zeit, und wenn nicht, geht das dann mit Überlichtgeschwindigkeit? Und wenn er doch Zeit braucht, was macht die Restwelle, so lange? Das ist alles völlig unklar. Da finde ich es ehrlicher zu sagen, dass das Photon irgendwo, unvorhersagbar auftrifft.
    Wie dann die Wahrscheinlichkeitsverteilung bei vielen gleich präparierten Photonen entsteht, das findest du , glaube ich, bei dem Link zu Martin.

  42. #42 Franz
    21. September 2017

    Gut zusammengefasst und ja, man erkennt eindeutig die Lehrerin (ist aber nicht negativ nur gewöhnungsbedürftig). Aber vielleicht kann mir hier jemand eine Frage beantworten die mir einmal gestellt habe: Wenn die allgemeine Relativitätstheorie die Schwerkraft als ein Resultat der Raumkrümmung definiert und diese somit eine Scheinkraft ist, warum suchen dann Quantenmechaniker nach dem (Schein ?)Graviton ?

  43. #43 Franz
    21. September 2017

    @Peter Paul
    Wenn man vom Zusammenbruch der Wellenfunktion spricht, dann sehe ich das als komplett mathematisches Konstrukt. Mir stellt sich das so dar: Niemand hat eine Ahnung was da wirklich passiert und wie das wirklich “aussieht”, aber die Effekte lassen sich hervorragend mit der Quantenmechanik beschreiben.

  44. #44 Stephan
    22. September 2017

    Nette Zusammenfassung des Schulstoffs, manchmal etwas weichgespült und Heisenbergisch unscharf, auf keinen Fall zu lang.
    Mir macht die Quantenmechanik Angst, denn letztlich bedeutet sie: wenn ich nicht hinsehe, ist die Welt nicht da. Bin gespannt, ob diePhysiker die Esoterik aus ihrem Fach heraushalten können (und wollen).
    Werde den Artikel in die oberste Kategorie einordnen.

  45. #45 awmrkl
    22. September 2017

    @ Stephan
    “wenn ich nicht hinsehe, ist die Welt nicht da”

    Nö, keine Angst 😉 , denn währenddessen übernimmt die gesamte Welt (oder Universum) Deine Beobachterfunktion.
    Denn diese “Beobachter” sind im Endeffekt Wechselwirkungen, wie auch im Fall der Meßgeräte, zwischen Quanten und makroskopischer (unserer) Welt.
    Deshalb ist auch der Mond noch da, wenn Du nicht hinschaust, und die Elektronen in Deinem Tisch halten jeden Gegenstand auf ihm per elektromagnetischer Wechselwirkung auf seinem Platz, auch wenn Du zB schläfst.

  46. #46 Stephan
    22. September 2017

    #45
    Die Hoffnung stirbt zuletzt. Aber sie stirbt.

  47. #47 rolak
    22. September 2017

    Aber sie stirbt

    Richtig. Und woher wissen wir das, Stephan? Weil sie eben doch nicht grundsätzlich als letztes stirbt und so ihr Sterben bewußt beobachtet werden konnte.
    Der erste Teil ist halt nur faktisch formuliertes Wunschdenken.

  48. #48 Kathi Keinstein
    22. September 2017

    @Franz / 42 : Da sprichst du eine der grössten Baustellen der modernen Physik an: Die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie(n) sind zweierlei Theorien (d.h. mathematische Konstrukte) zur Beschreibung der Welt, die sich nicht gänzlich miteinander vertragen. Da eine Theorie aber so lange als brauchbar gilt, bis sie durch Beobachtungen widerlegt wird (“beweisen” kann man Theorien nicht, nur untermauern), deutet diese Unverträglichkeit zweier sehr brauchbarer Theorien darauf hin, dass eine oder beide bzw. unsere umfassende Welt-Beschreibung irgendwie noch nicht ganz fertig sind. Und so lange nicht klar ist, wo wir weiter zu bauen haben, ist es in meinen Augen sinnvoll, an jedem Ende nach dem nächsten Baustein (der in diesem Fall das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein eines Gravitons sein könnte) zu suchen.

    Dazu kommt, dass, je mehr man sucht und nichts findet, es um so wahrscheinlicher wird, dass es tatsächlich kein “Austauschteilchen” (oder Feldquant) für die Gravitation gibt. Denn auch nicht Nicht-Existenz eines Gravitons lässt sich nicht beweisen, sondern nur untermauern, indem man sucht und keines findet.

  49. #49 Franz
    22. September 2017

    @Kathi
    Hey, danke, guter Gedanke. Wenn man es so betrachtet macht es Sinn.

  50. #50 Erik Bornemann
    26. September 2017

    WOW … ehrlich DANKE für diesen Artikel.

    Und ja, es war nötig Capslock zu benutzen.

    Ich habe vor kurzem meine Ausbildung abgeschlossen, die ich eigentlich nicht wirklich machen wollte und habe erst jetzt angefangen mein Abitur nachzuholen.
    Demnach hält sich mein Wissensbereich um professionelle Wissenschaft eher in Grenzen. Nun möchte ich das aber ändern, darum mache ich Abitur, und bin sehr interessiert in naturwissenschaftlichen Themen, gerade im Bereich Physik und Astronomie.

    Und da kommt man ja um das Thema Quanten nicht herum. Und wo ich mir im Internet mir oft nicht sicher war, wie seriös entsprechende Quellen (siehe Esoterik) waren und ich mit dem einen oder anderen ausgeliehenem Buch doch eher überfordert war, hat mir dieser Artikel auf echt verständliche Weise etwas zum Thema “Quanten” erklärt.
    Wirklich, Danke dafür.

    Aber nochmal zu Zusammenfassung:

    Quanten sind Teilchen, die je nach Messmethode/Messung/Wahrnehmung entweder die Eigenschaften von Teilchen, oder von Wellen aufweisen.
    Dies gilt nicht nur für Quanten, sondern auch für andere Teilchen (mathematischer Beweis), nur ist das für uns nicht messbar.
    Schließlich sind alle Messungen nur Wechselwirkungen, ausgelöst durch eine dieser Eigenschaften.
    Wirkungen von Teilchen aufeinender im leeren Raum, in welchen es je eigentlich nichts geben sollte, ist Wechselwirkung auf ein Feld, welches auf ein anderes Teilchen wechselwirkt.

    Sehe ich das richtig so?

    Und zuletzt noch eine Frage, welche ich mir seit geraumer Zeit stellte, aber glaube, durch diesen Artikel eine Antwort gefunden zu haben:
    Wenn ich etwas spüre, also anfasse z.B. einen Stift in die Hand nehme, spüre ich eigentlich nicht den Stift als solchen, sondern Wechselwirkungen meiner Teilchen, mit denen des Stiftes.

    Ich weis ja nicht, ob das ganze jetzt in der Flut von Kommentaren untergeht, aber ich würde mich über eine Antwort sehr freuen.

  51. #51 tomtoo
    27. September 2017

    @Erik B
    Frage 2.
    Ja genau. Du spürst die EM Wechselwirkung. Die Elektronen des Bleistifts, stoßen die Elektronen deiner Hand ab.

  52. #52 Kathi Keinstein
    27. September 2017

    @Erik Bornemann: Danke für das “überschwängliche” Lob :).

    Gemäss meinem Verständnis gibt es keinen (nachweislichen) Unterschied zwischen “Quanten-” und “anderen” Objekten (ich verwende jetzt bewusst nicht “Teilchen”) – die scheinbaren Unterschiede zwischen Quanten- und klassischer Welt ergeben sich aus unseren eingeschränkten und auf die klassische Welt ausgelegten Wahrnehmungsfähigkeiten.

    Dafür spricht in meinen Augen, dass die technische Erweiterung dieser Wahrnehmungsfähigkeiten es Menschen ermöglicht hat, den Wellencharakter von schon ziemlich grossen Molekül-Brocken (die im Artikel genannten Porphyrine) nachzuweisen.

    Was die Wechselwirkungen betrifft, liegen du und tomtoo richtig: Auch Empfindungen beruhen auf Wechselwirkungen zwischen Bestandteilen unserer Haut bzw. unserer Nervenzellen mit Bestandteilen des wahrgenommenen Objekts (z.B. des Bleistifts).

    Darüber, warum sich der Bleistift fest anfühlt und nicht einfach durch den Tisch fällt, auf den wir ihn ablegen, ist ein erklärender Artikel zu meiner kürzlich beendeten Blogparade eingegangen – im Grunde genommen passt tomtoos Erklärung auch hier: https://breakpt.wordpress.com/2017/07/05/die-sinnlichkeit-der-natur-blogparade-1594/

  53. #53 Metalgeorge
    30. September 2017

    @Kathi
    Ich habe den Artikel und die vielen Kommentare wirklich mit Vergnügen gelesen :)
    Ich habe da noch eine Frage zum beschriebenen Wellencharakter von Teilchen oder Quanten die mich noch beschäftigt. Ich weiß ich könnte das auch googeln.
    Bei reinen Wellen z.B. EM Wellen kommen die Interferenzmuster ja dadurch zu Stande , dass es zu Auslöschungen kommt. Wellenberge addieren sich mit Wellentälern zu 0. Siehe auch Dämpfung in der ET bei Leitungsreflektionen.
    Bedeutet das auch umgekehrt , dass beim Doppelspaltexperiment weniger Elektronen auf dem Schirm ankommen als man durch die Spalten geschickt hat.
    D.h. konnen sich 2 “Teilchen” in der QM gegenseitig “löschen”?
    Oder wird nur der mögliche Ort gelöscht. Ist die Wellenfunktion hier eine reine Ortsfunktion.

  54. #54 Karl-Heinz
    30. September 2017

    Konferieren nach Quantenart: „Hallo Peking!“

    Live-Experiment an der Akademie der Wissenschaften: Präsident Anton Zeilinger unterhielt sich heute Vormittag mit seinem chinesischen Amtskollegen per Videoschaltung. Die Daten wurden mit Quanteneffekten verschlüsselt – erstmals über Kontinente hinweg.

    http://science.orf.at/m/stories/2869341/

  55. #55 Metalgeorge
    30. September 2017

    … meinte hier nicht die Auslöschung von Materie.
    Reflektiert man einen Teilchenstrahl in sich gibt es dann laut QM Orte an denen man gar keine Teilchen misst obwohl dort strahlmässig welche sein müssten.
    Ich weiss die Messung an sich wiederum…:)

    @Karl-Heinz
    sehr interessant :)

  56. #56 Karl-Heinz
    30. September 2017

    @Metalgeorge

    Deine Frage hat eine Ähnlichkeit mit der unteren Frage. Als Laie denke ich halt, dass Teilchen in einer Raumregion mit geringer Aufenthaltswahrscheinlichkeit sich seltener
    offenbaren wird.
    http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2015/04/06/was-ist-ein-photon/#comment-88456

  57. #57 Metalgeorge
    30. September 2017

    @Karl-Heinz

    danke für den Link.
    Da kommt doch schon etwas Licht in das Ganze :)

  58. #58 PDP10
    30. September 2017

    @Metalgeorge:

    Bei reinen Wellen z.B. EM Wellen kommen die Interferenzmuster ja dadurch zu Stande , dass es zu Auslöschungen kommt. Wellenberge addieren sich mit Wellentälern zu 0. Siehe auch Dämpfung in der ET bei Leitungsreflektionen.
    Bedeutet das auch umgekehrt , dass beim Doppelspaltexperiment weniger Elektronen auf dem Schirm ankommen als man durch die Spalten geschickt hat.
    D.h. konnen sich 2 “Teilchen” in der QM gegenseitig “löschen”?

    Die Standard-Interpretation der Quantenmechanik geht ungefähr so (Achtung: sehr verkürzt dargestellt):

    Die Teilchen werden durch Wellenfunktionen beschrieben, deren Betragsquadrat die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Teilchen an einem bestimmten Ort angibt. (Das sind halt Funktionen im komplexen, daher das Betragsquadrat).

    Diese Wellenfunktionen können genauso interferieren, wie ganz normale Wellen. Daher das Interferenzmuster. Da “verschwinden” keine Teilchen.

    Etwas bizarr dabei ist, dass die Schrödingergleichung zwar eine Diff-Gleichung in der ersten Ableitung der Zeit ist und damit die zeitliche Entwicklung des Systems deterministisch vorgibt, aber alle Messgrößen am Ende trotzdem Wahrscheinlichkeiten sind.
    Dh. unter anderem, dass die Wellenfunktion keine Messgröße ist.

    Letzlich kannst du nicht sagen, welches Elektron durch welchen Spalt gegangen ist. Du kannst nur das Ergebnis der Messung sehen (der Leuchtpunkt auf dem Schirm).
    Aber du weißt, dass die Interferenzmuster dadurch zustande kommen, dass die Bewegung des Elektrons eben durch die Wellenfunktion beschrieben wird.

    Soweit, so merkwürdig.

    Niels Bohr (der weise, alte Zen-Mönch aus Kopenhagen) war der Meinung, dass es darüber nicht mehr zu sagen gibt. (Ich glaube ja, der hat Wittgenstein gelesen: “Worüber man nicht reden kann, darüber muss man schweigen.”)
    Andere, wie Einstein, oder David Bohm, die dachten, dass man bei der QM noch was fehlt, waren da anderer Meinung.

    Der Streit geht übrigens bis heute … :-).

  59. #59 Metalgeorge
    30. September 2017

    @PDP10

    danke dir für deine inspirirenden Ausführungen.
    Damit wäre meine Frage wohl geķlärt.
    …oder ist da doch noch was, worüber man reden sollte?:)

  60. #60 Karl-Heinz
    30. September 2017

    @PDP10

    Der Streit geht übrigens bis heute … :-).

    Meinst du die „Verborgene Variablen“ oder was anderes?

  61. #61 Dampier
    30. September 2017

    @PDP10

    “Worüber man nicht reden kann, darüber muss man schweigen.”

    Klingt in erster Näherung für mich ziemlich beknackt. Wie eine Selbstbeschränkung, eine willkürlich gezogene Grenze.

    Worüber man nicht reden kann … da muss man einen Weg finden, wie man darüber reden kann! Plus Ultra und so …

    (Ich kenne die offizielle Auslegung dieses Zitats nicht.)

  62. #62 Karl-Heinz
    30. September 2017

    Also ich kenn nur diesen Satz.
    “Wenn man keine Ahnung hat: Einfach
    mal Fresse halten.” 😉

  63. #63 PDP10
    30. September 2017

    @Karl-Heinz

    Meinst du die „Verborgene Variablen“ oder was anderes?

    Beides ;-).

    Die Literatur dazu füllt inzwischen wahrscheinlich kleinere Bibliotheken …

    Kurzer Überblick:

    http://www.spektrum.de/lexikon/physik/kopenhagener-interpretation/8353

    Heavy Metal:

    http://www.spektrum.de/lexikon/physik/quantenmechanik-und-ihre-interpretationen/11871

  64. #64 Karl-Heinz
    30. September 2017

    @PDP10
    Danke für die Antwort.
    Ich hätte noch eine Frage.
    Was wird genau überlagert?
    Die Wellenfunktion oder das Betragsquadrat?

  65. #65 PDP10
    30. September 2017

    @Metalgeorge:

    …oder ist da doch noch was, worüber man reden sollte?:)

    Ja, siehe oben die Antwort an @Karl-Heinz.

  66. #66 PDP10
    30. September 2017

    @Karl-Heinz:

    Was wird genau überlagert?
    Die Wellenfunktion oder das Betragsquadrat?

    Na du kannst Fragen stellen … *menno…schwitz*

    Das ich das Seminar zu “neueren Experimenten zur Quantenmechanik” gemacht habe ist über zwanzig Jahre her … Bei den mathematischen Feinheiten ziehe ich mich also mal zurück auf: Keine Ahnung. Vergessen. Zu lange her … Sorry :-).

    Aber eigentlich müssen es die Wellenfunktionen sein. Im komplexen eben. Erst, wenn man wissen will, wie die Aufenthaltswahrscheinlichkeit ist muss man ja das Betragsquadrat bilden.

  67. #67 Karl-Heinz
    30. September 2017

    @PDP10
    OK, die Wellenfunktion.
    Und was ist wenn sie sich gegenseitig auslöschen, oder kann so etwas nicht passieren?

  68. #68 PDP10
    30. September 2017

    @Dampier:

    Klingt in erster Näherung für mich ziemlich beknackt. Wie eine Selbstbeschränkung, eine willkürlich gezogene Grenze.

    Keine Ahnung wie willkürlich die Grenze konkret gezogen ist, aber Wittgenstein meinte damit die Grenze unserer Erkenntnis – soweit ich das verstanden habe. Nicht, das ich das Buch gelesen hätte (ähem … ), aber die Wikipedia sagt dazu (und ich habe das auch noch falsch zitiert):

    “Der letzte Abschnitt des Tractatus besteht lediglich aus einem prägnanten und vielzitierten Satz: „Wovon man nicht sprechen kann, darüber muss man schweigen.“ Womit nicht gemeint ist, dass bestimmte Wahrheiten besser unerwähnt bleiben, sondern dass das, was Sprechen oder Denken ermöglicht, nicht dessen Gegenstand sein kann – wodurch philosophische Rede schlechthin in Frage steht.”

    (https://de.wikipedia.org/wiki/Tractatus_logico-philosophicus)

    Mir schien der Satz nur passend, weil Niels Bohr zu dem Thema tatsächlich eine Position eingenommen hat, die IMHO dem Zen-Buddhismus nicht ganz unähnlich ist.

    Platt gesagt, besagt die Kopenhagener Interpretation:

    Wir wissen nicht, was die Wellenfunktion eines Quantenmechanischen Systems so treibt, bis wir irgendeine Größe dieses Systems messen (Ort, Impuls, Energie etc.). Und zwar aus prinzipiellen Gründen. Nicht weil unsere Messung schlecht ist.

    Und weil wir das erst wissen, wenn wir eine Größe messen, können wir nicht wissen, was die Wellenfunktion vorher so getrieben hat.

    Ende der Geschichte.

    Über das, was so eine Wellenfunktion so treibt, können wir nicht sprechen – weil wir sie aus prinzipiellen Gründen eben nicht messen können. Darüber müssen wir also schweigen.

    Das ist aber nur meine Privat-Interpretation dessen, wie ich Bohr verstehe ;-).

  69. #69 PDP10
    30. September 2017

    @Karl-Heinz:

    Und was ist wenn sie sich gegenseitig auslöschen, oder kann so etwas nicht passieren?

    Die Frage verstehe ich nicht. …

  70. #70 PDP10
    30. September 2017

    Nachtrag:

    Über das ganze Quanten-Interpretations-Gesumms wurde übrigens an anderer Stelle hier in @Florians Blog schon mal sehr, sehr (wirklich sehr, sehr!) ausführlich diskutiert:

    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2013/12/07/quantenphysiker-beweist-leben-nach-dem-tod-und-anderer-unsinn/

    Vorsicht! Die Diskussion ist wirklich recht lang und teilweise sehr anspruchsvoll aber auch in großen Teilen sehr erhellend … und für solche Diskussionen lieben wir die Scienceblogs ja, nicht wahr? ;-).

  71. #71 stone1
    1. November 2017

    Einer der besten Beiträge die ich bisher gelesen habe. Dass die Perspektive aus der Sicht der Quanten etwas gewöhnungsbedürftig ist, wurde ja schon erwähnt. Und was Neues hab ich auch noch gelernt, nämlich dass Quanten auch große Füße sein können ; )