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Quantenphysik

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Die Quantentheorie (auch als Quantenphysik oder Quantenmechanik bekannt) ist neben der allgemeinen Relativitätstheorie eines der beiden Hauptthemen der modernen Physik, und zwischen ihnen behaupten die beiden Theorien, praktisch alles über das Universum zu erklären. Die Allgemeine Relativitätstheorie gibt uns ein Bild des sehr Großen (Raum-Zeit und Gravitation), während die Quantentheorie uns unser Bild von den sehr kleinen (Atomen und ihren Bestandteilen) gibt.

Technisch gesehen ist die Quantentheorie eigentlich die Theorie aller Objekte, die von ihrer Umgebung isoliert sind, aber weil es sehr schwierig ist, große Objekte von ihren Umgebungen zu isolieren, wird sie im Wesentlichen zu einer Theorie der mikroskopischen Welt von Atomen und subatomaren Teilchen. Dies 1

gilt insbesondere für jene Teile der Theorie, die sich auf die absolute Ununterscheidbarkeit fundamentaler Teilchen stützen, eine Ununterscheidbarkeit, die in der Alltagswelt von zusammengesetzten Großobjekten nicht zu finden ist.

Die Quantentheorie wird in einer großen Vielfalt von Anwendungen im täglichen Leben verwendet, einschließlich Laser, CDs, DVDs, Solarzellen, Faseroptik, Digitalkameras, Fotokopierern, Strichcodelesern, Leuchtstofflampen, LEDLampen, Computerbildschirmen, Transistoren, Halbleitern B. Konduktoren, Supraleiter, Spektroskopie, MRI-Scanner, usw., usw. Nach Schätzungen basieren mehr als 25% des BIP der entwickelten Länder direkt auf der Quantenphysik. Es erklärt sogar die Kernfusionsprozesse, die im Inneren von Sternen stattfinden.

Einige ihrer Ergebnisse und Prinzipien sind jedoch eindeutig kontraintuitiv und teuflisch schwierig in einfacher Sprache zu erklären, ohne auf komplexe Mathematik zurückzugreifen, die weit über das Komfortniveau der meisten Menschen hinausgeht (mich eingeschlossen!). Diese Situation wird nicht durch die Tatsache unterstützt, dass die "Theorie" weitgehend ein Patchwork von Fragmenten ist, die im Laufe des letzten Jahrhunderts entstanden sind, dass einige Elemente davon von den Wissenschaftlern selbst noch nicht gut verstanden werden, und dass sie etwas von dem bizarren Verhalten verstehen Vorhersagen scheinen angesichts dessen, was wir als gesunder Menschenverstand betrachten, zu fliegen.

Richard Feynman, Gewinner des Physik-Nobelpreises von 1965 und wohl einer der größten Physiker der Nachkriegszeit, ist unverblümt: "Ich denke, ich kann mit Sicherheit sagen, dass niemand die Quantenmechanik versteht". Niels Bohr, einer der Hauptpioniere der Quantentheorie, behauptete: "Wer von der Quantentheorie nicht geschockt ist, hat es nicht verstanden".

In den zwanziger und dreißiger Jahren entdeckten Bohr, Schrödinger, Heisenberg und andere, dass die atomare Welt tatsächlich voller Dunkelheit und Chaos ist, 2

und nicht das von der klassischen Theorie vorgeschlagene Präzisionsuhrwerk. Die klassische Physik kann als eine gute Annäherung an die Quantenphysik angesehen werden, typischerweise in Situationen mit einer großen Anzahl von Teilchen. In der Tat hat uns die klassische Physik bis ins 20. Jahrhundert gut getan, und für die meisten alltäglichen Zwecke tut sie es immer noch. Aber die moderne Physik, die die Quantenphysik und die allgemeine Relativitätstheorie einschließt, ist umfassender, grundlegender und insgesamt genauer - die Physik ist auf einer anderen Ebene angesiedelt. Momentum und Position zum Beispiel sind Annäherungen an die Welt der größeren Dinge, die wir die klassische Welt nennen, aber die zugrunde liegende Realität der Quantenwelt ist ganz anders.

Frühe Entwicklungen in der Atomtheorie

Die Entwicklung der Quantentheorie war wohl viele Jahrhunderte in der Entstehung. Bereits im 5. Jahrhundert v. Chr. Stellten die griechischen Philosophen Demokrit und Leukipp die Idee auf, dass alles um uns herum aus winzigen, unteilbaren Teilen besteht, die in einer unendlichen Leere verstreut sind.

Doch die Entdeckung von (sogar indirekten) Beweisen für solche Atome musste über zwei Jahrtausende warten, bis die Arbeit des Germanisten Robert Boyle aus dem 17. Jahrhundert und später des Schweizer Mathematikers Daniel Bernoulli aus dem 17. Jahrhundert den Druck auf Gase und Druck ausübte Existenz winziger kornartiger Atome, die im leeren Raum umherfliegen.

Im Jahr 1789 identifizierte der französische Aristokrat und Wissenschaftler Antoine Lavoisier (wenn auch etwas falsch) 23 Elemente, von denen er behauptete, dass sie nicht in einfachere Substanzen zerlegt werden könnten. Im frühen 19. Jahrhundert identifizierte der englische Chemiker und Physiker John Dalton die Atomgewichte bestimmter Atome und stellte zunächst die Idee auf, dass chemische Verbindungen auf die Wechselwirkung von Atomen bestimmter und charakteristischer Gewichte zurückzuführen seien. Weitere direkte Beweise 3

für Atome kamen mit der unberechenbaren, wackeligen Bewegung, bekannt als "Brownsche Bewegung", von Pollenkörnern in Wasser, die der Botaniker Robert Brown notierte (auch wenn Brown selbst das Problem ihres mysteriösen Verhaltens nie ganz gelöst hatte).

Aber um genau zu erkennen, was ein Atom von einem anderen unterscheidet, war es notwendig, in ein Atom zu schauen. 1895 hatte der britische Physiker JJ Thomson das erste subatomare Teilchen entdeckt, das Elektron, ein winziges Teilchen, das 2000 kleiner war als selbst ein Wasserstoffatom, obwohl er sich tatsächlich ein Atom als eine Vielzahl dieser winzigen negativ geladenen Elektronen vorgestellt hatte ein diffuser Ball positiver Ladung, wie Rosinen in einem Pudding.

Experimente des Neuseeländers Ernest Rutherford im Jahr 1907 zeigten jedoch, dass die große Mehrheit (mehr als 99,9%) der Masse eines Atoms in einen winzigen zentralen Kern gepackt war (etwa 100.000 mal kleiner als das Gesamtatom, je nach dem jeweiligen Atom) Element, manchmal im Vergleich zu dem Kopf eines Stiftes in einem Fußballstadion) umkreist von den noch kleineren Elektronen, wie Planeten um eine Sonne. Über den Kern in einem Atom zu kommen, ist vergleichbar mit der Suche nach einer Erbse im Raum einer Kathedrale. So entpuppte sich die vertraute feste Welt um uns herum erstmals als weitgehend leerer Raum. Später, im Jahre 1913, wurde Rutherfords Atommodell von dem dänischen Physiker Niels Bohr konkretisiert und verfeinert. Erst 1980, mit der Erfindung des Rastertunnelmikroskops von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer, wurden tatsächlich die ersten Atome "gesehen", die Materialien aus sphärischen Atomen zeigen, die Reihe um Reihe gestapelt waren wie Demokrit es sich vorgestellt hatte.

Mit der verbesserten Technologie wurde gezeigt, dass der Kern eines Atoms aus einer Kombination von positiv geladenen Protonen und null geladenen Neutronen besteht. In den späten 1960er Jahren war bekannt, dass Protonen und Neutronen selbst Größe und Ausdehnung haben und somit nicht als fundamentale Teilchen betrachtet werden können, sondern aus noch kleinerer 4

Materie bestehen. Jedes Proton und Neutron enthüllte drei Quarks, Elementarteilchen, die in sechs verschiedenen Geschmacksrichtungen (oben, unten, oben, unten, Fremdheit und Charme) vorkommen und mehrere Größenordnungen kleiner sind als die Protonen und Neutronen, aus denen sie bestehen .

Schon die Namen dieser Eigenschaften erzählen von ihrer Willkür, und es ist unmöglich zu sagen, wie sie in der physischen Welt aussehen könnten. Der Name Quark stammt aus einem besonders schwierigen James-Joyce-Roman von Murray Gell-Man (der maßgeblich an ihrer Entdeckung beteiligt war) und wurde bevorzugt gegenüber Richard Feynmans leichtfüßigerer Suggestion des "parton" (nach Dolly Parton). Eine hypothetische Subkomponente von Quarks und Elektronen, die als Preon bezeichnet wird, wurde in den 1970er und 1980er Jahren postuliert, aber seitdem wurde sie weitgehend als überflüssig und experimentell nicht bewiesen. Quarks und Elektronen scheinen tatsächlich Elementarteilchen zu sein.

Das aktuelle Standardmodell der Teilchenphysik besteht aus 16 Elementarteilchen: oben, unten, oben, unten, Charm und Quarks; Elektronen; Myon- und Tau-Leptonen; drei Arten von Neutrinos; Z- und W-Bosonen; Photonen; und Gluonen. Auf diese Teilchen wirken drei fundamentale Kräfte ein: die elektromagnetische Kraft, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft. Zusätzlich zu diesen Teilchen ist das Higgs-Boson (von den populären Medien als "Gott-Teilchen" bezeichnet) ein integraler Bestandteil des Modells, da es erklärt, warum die anderen Elementarteilchen (mit Ausnahme von Gluonen und Photonen) Masse und haben deshalb, warum Materie überhaupt Masse hat. Das Standardmodell erwies sich als ein bemerkenswert robustes und erfolgreiches Modell, und mehrere Teilchen, die bei ihrer ersten Formulierung Mitte der 1970er Jahre nur theoretisch waren, wurden seither experimentell beobachtet, einschließlich zuletzt (2012) des schwer fassbaren Higgs-Bosons.

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Aber um zu Rutherfords Funden im frühen 20. Jahrhundert zurückzukehren, wurde schnell klar, dass seine Ergebnisse völlig in Konflikt mit der bekannten Physik der Zeit standen. Gemäß der klassischen Theorie des Elektromagnetismus, die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts von James Clerk Maxwell entwickelt wurde (der demonstrierte, dass Elektrizität, Magnetismus und sogar Licht alle Manifestationen desselben Phänomens sind, das elektromagnetische Feld), jedes geladene Teilchen, das beschleunigt oder verändert Geschwindigkeit oder Richtung gibt elektromagnetische Wellen aus. In diesem Fall sollte ein Elektron, das einen Kern umkreist, theoretisch fortwährend von seiner Energie befreit werden und sich daher innerhalb von Mikrosekunden in den Kern des Atoms schrauben und mit ihm kollidieren.

Dies war ein notwendigerweise abgekürzter und verdichteter Ausflug in die wunderbare und manchmal bizarre Welt der Quantenmechanik. Wenn ein paar grundlegende Prinzipien der Quantenphysik aus all dem oben Gesagten herausgehoben würden, wären sie wahrscheinlich das dualwellenartige und partikelartige Verhalten von Materie und Strahlung und die Vorhersage von Wahrscheinlichkeiten in Situationen, in denen die klassische Physik vorhersagt Gewissheiten.

Für viele, auch in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, sind dies schwierige Konzepte, und selbst Albert Einstein hatte ernsthafte philosophische Probleme mit einem Universum, das sich auf subatomarer Ebene scheinbar völlig willkürlich verhält und wiederholt behauptet, dass Gott spielt keine Würfel "(obwohl Einstein weithin als" verloren "gilt für die umfangreichen öffentlichen Debatten, die er mit Niels Bohr über das Thema geführt hat). Für ein besseres oder umfassenderes Verständnis dieses komplexen und verwirrenden Themas gibt es reichlich Literatur zu diesem Thema, sowohl für den Anfänger als auch für den Experten, von denen einige auf der Quellenseite erwähnt sind.

Trotz ihrer Schwierigkeiten bleibt die Quantentheorie ein wesentlicher Bestandteil des Fundaments der modernen Physik. Es ist wohl eine der erfolgreichsten Theorien in der gesamten Wissenschaft, und trotz seiner 6

scheinbar esoterischen Natur ist es in erster Linie ein praktischer Zweig der Physik, der den Weg für Anwendungen wie den Laser, das Elektronenmikroskop, den Transistor, den Supraleiter ebnet und Kernenergie, und erklären auf einen Schlag wichtige physikalische Phänomene wie chemische Bindung, die Struktur des Atoms, die Leitung von Elektrizität, die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Festkörpern und die Dichte von kollabierten Sternen.

So erfolgreich die Vorhersage und Beschreibung der Welt um uns auch ist, die Quantentheorie erklärt nur drei der vier fundamentalen Kräfte erfolgreich: Elektromagnetismus, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft. Es erklärt nicht die Funktionsweise der Schwerkraft.

Zum Abschluss möchte ich noch ein weiteres interessantes Gebiet der Spekulation im Zusammenhang mit der Quantentheorie erwähnen. Es wurde vorgeschlagen, dass, wenn das gesamte Universum (Raum, Zeit, Energie und alles andere) quantisiert ist und aus unteilbaren fundamentalen Teilchen besteht, es eine endliche Anzahl von Komponenten und eine endliche Anzahl von Zuständen hat, wie die Bits und Pixel von ein Computerprogramm. In der Theorie macht dies das Universum "berechenbar" und hat einige zur Hypothese geführt, dass vielleicht die gesamte Wirklichkeit, wie wir sie wahrnehmen, Teil einer riesigen Matrix-ähnlichen Computersimulation sein könnte, deren einzelne Teile nur eine bestimmte Form annehmen, wenn sie beobachtet werden. Spekulation vielleicht, aber dennoch eine faszinierende, und die scheint immer schwieriger zu widerlegen, wenn die Details der Quantentheorie ausgebügelt werden

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