Quantentheorie
Die Quantentheorie ist die theoretische Grundlage der modernen Physik. Mit ihr wird das natürliche Verhalten von Materie und Energie auf atomarer und subatomarer Ebene erklärt. Dieses Verhalten von Materie und Energie auf der untersten Ebene wird manchmal auch als Quantenphysik oder Quantenmechanik bezeichnet.
Im Jahr 1900 stellte der Physiker Max Planck der Deutschen Physikalischen Gesellschaft seine Quantentheorie vor. Planck hatte versucht herauszufinden, warum sich die Strahlung eines glühenden Körpers mit steigender Temperatur von Rot zu Orange und schließlich zu blau ändert.
Dabei stellte er fest, dass er durch die Annahme, dass Energie auf die gleiche Weise in einzelnen Einheiten existiert wie Materie, und nicht nur als konstante elektromagnetische Welle wie vorher angenommen, die Antwort auf seine Frage erhielt. Die Existenz dieser Einheiten wurde zur ersten Annahme der Quantentheorie.
Planck schrieb eine mathematische Gleichung mit Werten zur Darstellung der einzelnen Energieeinheiten, die er Quanten nannte. Die Gleichung erklärte das Phänomen sehr gut. Planck fand heraus, dass bei bestimmten einzelnen Temperaturniveaus (das genaue Vielfache eines grundlegenden Minimalwertes) die Energie eines glühenden Körpers verschiedene Bereiche des Farbspektrums einnimmt.
Der Physiker ging davon aus, dass aus der Entdeckung der Quanten noch eine Theorie hervorgehen würde. In Wirklichkeit implizierte ihre Existenz allerdings ein völlig neues und grundlegendes Verständnis der Naturgesetze. Planck gewann 1918 den Nobelpreis für Physik für seine Theorie. Die Entwicklungen verschiedener Wissenschaftler über einen Zeitraum von dreißig Jahren trugen allerdings alle zum modernen Verständnis der Quantentheorie bei.
Die Entwicklung der Quantentheorie zusammengefasst:
- Im Jahr 1900 ging Planck davon aus, dass die Energie aus einzelnen Einheiten oder Quanten besteht.
- 1905 theoretisierte Albert Einstein, dass nicht nur die Energie, sondern auch die Strahlung selbst auf die gleiche Weise quantisiert wurde.
- Im Jahre 1924 schlug Louis de Broglie vor, dass es keinen grundlegenden Unterschied in der Zusammensetzung und dem Verhalten von Energie und Materie gibt. Auf atomarer und subatomarer Ebene können sich beide so verhalten, als ob sie aus Teilchen oder Wellen bestehen. Diese Theorie wurde als das Prinzip des Welle-Teilchen-Dualismus bekannt: Elementarteilchen aus Energie und Materie verhalten sich je nach Bedingungen wie Teilchen oder Wellen.
- Werner Heisenberg schlug 1927 vor, dass eine präzise, gleichzeitige Messung zweier komplementärer Werte - wie Position und Impuls eines subatomaren Teilchens - unmöglich ist. Im Gegensatz zu den Prinzipien der klassischen Physik ist ihre gleichzeitige Messung unausweichlich fehlerhaft. Je genauer ein Wert gemessen wird, desto fehlerhafter wird die Messung des anderen Wertes sein. Diese Theorie wurde als heisenbergsche Unschärferelation oder Unbestimmtheitsrelation bekannt, was Albert Einsteins berühmten Kommentar „Gott spielt keine Würfel“ auslöste.
Die Kopenhagener Interpretation und die Viele-Welten-Theorie
Die beiden Hauptinterpretationen der Quantentheorie für die Natur der Realität sind die Kopenhagener Interpretation und die Viele-Welten-Theorie. Niels Bohr schlug die Kopenhagener Interpretation der Quantentheorie vor, die besagt, dass ein Teilchen das ist, was es sein soll (zum Beispiel eine Welle oder ein Teilchen), aber dass es nicht angenommen werden kann, dass es bestimmte Eigenschaften hat oder gar existiert, bis es gemessen wird.
Kurz gesagt, Bohr sagte, dass es keine objektive Realität gibt. Dies führt zu einem Prinzip namens Superposition, die behauptet, dass wir zwar nicht wissen, was der Zustand eines Objekts ist, dass es sich aber tatsächlich in allen möglichen Zuständen gleichzeitig befindet, solange wir es nicht nachprüfen.
Um diese Theorie zu veranschaulichen, können wir die berühmte und etwas grausame Analogie von Schrodingers Katze verwenden. Zuerst haben wir eine lebende Katze und legen sie in eine dicke Bleikiste. Zu diesem Zeitpunkt steht außer Frage, dass die Katze am Leben ist. Dann geben wir eine Ampulle Zyanid dazu und versiegeln die Schachtel. Wir wissen nicht, ob die Katze lebt oder ob die Zyanidkapsel gebrochen und die Katze gestorben ist. Da wir es nicht wissen, ist die Katze nach dem Quantengesetz sowohl tot als auch lebendig - in einer Überlagerung (Superposition) von Zuständen. Nur, wenn wir die Kiste aufbrechen und sehen, in welchem Zustand die Katze ist, geht die Überlagerung verloren, und die Katze muss entweder lebendig oder tot sein.
Die zweite Interpretation der Quantentheorie ist die Viele-Welten-Theorie (oder Multiversum-Theorie). Sie besagt, dass sobald ein Objekt das Potential hat in einem beliebigen Zustand zu existieren, wandelt sich das Universum dieses Objekts in eine Reihe von parallelen Universen um, die der Anzahl der möglichen Zustände entspricht, in denen das Objekt existieren kann, wobei jedes Universum einen eindeutigen möglichen Zustand dieses Objekts enthält.
Darüber hinaus gibt es einen Mechanismus für die Interaktion zwischen diesen Universen, der es erlaubt, dass alle Zustände in irgendeiner Weise zugänglich sind und dass alle möglichen Zustände in irgendeiner Weise beeinflusst werden. Stephen Hawking und Richard Feynman gehörten zu den Wissenschaftlern, die eine Vorliebe für die Viel-Welten-Theorie äußerten.
Einfluss der Quantentheorie
Obwohl die Wissenschaftler im Laufe des letzten Jahrhunderts die Auswirkungen der Quantentheorie - darunter Planck und Einstein - verneint haben, wurden die Prinzipien der Theorie immer wieder durch Experimente gestützt, selbst wenn die Wissenschaftler versuchten, sie zu widerlegen.
Die Quantentheorie und Einsteins Relativitätstheorie bilden die Grundlage für die moderne Physik. Die Prinzipien der Quantenphysik werden in immer mehr Bereichen angewendet, darunter Quantenoptik, Quantenchemie, Quantencomputer und Quantenkryptographie.
Zur Quantentheorie gibt es auch ein anschauliches Video von Brian Green (in Englischer Sprache):
