Quantenobjekte - Die Schlussfolgerung aus dem Welle-Teilchen Dualismus

Ausgehend von dem Welle-Teilchen-Dualismus bei Mikroteilchen, wie Photon oder Elektron, wurde die Quantentheorie entwickelt. Laut dieser sind Quantenobjekte Teilchen, welche sich nur mithilfe der Quantenmechanik beschreiben lassen.

Eigenschaften von Quantenobjekten

Quantenobjekte besitzen vier wesentliche Eigenschaften.

Statistisches Verhalten

In der Quantenphysik können Einzelereignisse im Allgemeinen nicht vorhergesagt werden.^[2]

^{Abbildung 2, Statistisches Verhalten beim Doppelspalt Versuch}

Man stelle sich ein Doppelspalt Experiment vor. Dabei werden wenige Photonen auf den Doppelspalt geschossen und danach am Schirm dahinter detektiert.
Die Photonen werden sich anscheinend zufällig auf dem Detektor verteilen.

Wenn man dann jedoch das Experiment wiederholt und viele Photonen auf den Doppelspalt schießt, so ergibt sich das bekannte Interferenzmuster dahinter. Daraus lässt sich schließen, dass zwar Einzelereignisse sich nicht voraussagen lassen, jedoch gewisse Wahrscheinlichkeiten für den Auftreffort bestehen, welche deutlich werden, wenn man das Experiment mit vielen Photonen wiederholt.

Dies steht in einem Kontrast zu Objekten der klassischen Physik, welche man nicht mit der Quantenmechanik beschreibt. Ein häufiges Beispiel sind hier Pistolenschüsse auf einen Doppelspalt. Wenn ich mit einer Pistole auf einen Doppelspalt schieße, dann werden sich die Kugeln auch bei wenigen Schüssen hauptsächlich direkt hinter den Spalten am Detektor befinden.

Fähigkeit zur Interferenz

Einzelne Quantenobjekte können zu einem Interferenzmuster beitragen, wenn es für das Versuchsergebnis mehr als eine klassisch denkbare Möglichkeit gibt.^[3]

Auch hier nehmen wir als Beispiel wieder den Doppelspalt Versuch. Fähigkeit zur Interferenz bedeutet, dass das Quantenobjekt mit sich selbst interferiert. Wenn man die Photonen alle alleine auf den Doppelspalt schießt, und dies stets wiederholt, so lässt sich ein Interferenzmuster erkennen.

Das Photon hat die Wahl zwischen zwei klassisch denkbaren Möglichkeiten, es kann nämlich durch den einen, oder durch den anderen Spalt fliegen. Obwohl es alleine ist, interferiert es.

Eindeutige Messergebnisse

Messergebnisse sind stets eindeutig, auch wenn sich das Quantenobjekt vor der Messung in einem Zustand befindet, der unbestimmt bezüglich der gemessenen Größe ist.^[2]

Nachdem das Photon den Doppelspalt durchflogen hat und auf den Detektor auftrifft, können wir dem Photon einen bestimmten Zustand zuweisen. Es war nämlich zu einem Zeitpunkt an diesem einen bestimmten Ort, den man gemessen hat.

Jedoch bevor das Photon auf den Detektor auftrifft, wissen wir nicht, wo es sich befindet. Theoretisch kann es überall sein. Es ist nicht möglich herauszufinden, welchen Spalt das Photon durchquert, der Ort ist uns unbekannt.

Komplementarität

Davon ausgehend landet man bei der Komplementarität.

Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten schließen sich aus.^[2]

Beim Doppelspalt Versuch entsteht ein Interferenzmuster, wir können aber gleichzeitig auch nicht wissen, durch welchen Spalt das Photon geflogen ist. Die Komplementarität sagt aus, dass sobald wir wissen, welchen Spalt das Photon durchquert hat, also die Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten, gibt es kein Interferenzmuster mehr.
Es ist uns also nicht möglich beides zu wissen.

Diese genannten Eigenschaften habe ich anhand des Doppelspalt Versuchs erklärt. Tatsächlich treffen sie jedoch auf alle Quantenobjekte zu.

Die Bose-Einstein Kondensation

Die Theorie eines Bose-Teilchen ging von Albert Einstein aus, welcher 1925 diese Überlegung aufstellte. Da dieses Thema sehr umfangreich ist, möchte ich es nur im Groben anschneiden.

Kurz gesagt, geht es darum aus vielen Gasatomen ein großes zu machen, indem diese verschmelzen, sodass man sie nicht mehr auseinander halten kann. Normalerweise haben Gasatome gänzlich verschiedene Geschwindigkeiten, wenn man diese jedoch herunterkühlt, dann gleicht sich auch die Geschwindigkeit an.

1995 gelang es einem Forscherteam Rubidiumatome auf ein milliardstel Grad über 0 Grad Kelvin zu kühlen und diese an einem identischen Ort zu halten. Dabei wurden dann auch die Wellenfunktionen der Atome identisch, die Atome ließen sich nicht mehr unterscheiden. Dies führte dazu, dass aus den vielen einzelnen Atomen sich ein großes Atom bildete, welches ein makroskopisches Quantenobjekt darstellte. Den Forschern war es also gelungen für 10 Sekunden ein Quantenobjekt sichtbar zu machen.^[4]

Heisenbergsche Unschärferelation

Diese Formel sollten einige bereits kennen. Diese Formel beschreibt die Heisenbergsche Unschärferelation. Dabei beschreibt ∆x die Unschärfe des Ortes und ∆p die Unschärfe des Impuls.^[5]
Der Impuls beschreibt die Bewegung eines Körpers, also unter anderem die Geschwindigkeit und die Richtung des Körpers.

Je kleiner also die Unschärfe des Ortes ist, umso größer muss die Unschärfe des Impuls sein. Das selbe gilt andersherum auch.

1927 veröffentlichte Heisenberg diese Theorie, welche später mit Messungen belegt werden konnte. Einstein haderte jedoch mit dieser Theorie und schloss auf uns unbekannte Parameter, die wir noch nicht messen können, die aber das Ergebnis exakt machen würden. Die Unschärferelation widersprach ja auch der Annahme der damaligen klassischen Physik, welche davon ausgeht, dass man alles exakt bestimmen kann.^[6]

Ausgehend von der Unschärferelation hat sich auch das Atommodell entwickelt. Da man den Ort nicht genau bestimmen kann, hat er erforscht, wie die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten für die einzelnen Elektronen im Atom sind. Daraus hat sich dann das Orbitalmodell entwickelt.^[7]

Je tiefer wir in die Welt der kleinen Dinge eintauchen, desto unschärfer wird unsere Sicht. Die Quantentheorie stellte die bisherige Ordnung der Physik auf den Kopf und lässt bis heute viele Rätsel offen.