Quantentheorie

Was ist die Quantentheorie?

Die Quantentheorie ist die theoretische Grundlage der modernen Physik, die das Wesen und Verhalten von Materie und Energie auf atomarer und subatomarer Ebene erklärt. Die Natur und das Verhalten von Materie und Energie auf dieser Ebene werden manchmal auch als Quantenphysik und Quantenmechanik bezeichnet. Organisationen in mehreren Ländern haben beträchtliche Mittel für die Entwicklung der Quanteninformatik aufgewendet, die sich die Quantentheorie zunutze macht, um die Rechenleistung drastisch über das hinaus zu verbessern, was mit den heutigen klassischen Computern möglich ist.

Im Jahr 1900 stellte der Physiker Max Planck seine Quantentheorie vor der Deutschen Physikalischen Gesellschaft vor. Planck wollte herausfinden, warum sich die Farbe der Strahlung eines glühenden Körpers mit steigender Temperatur von rot zu orange und schließlich zu blau ändert. Er fand heraus, dass er die Antwort auf seine Frage finden konnte, wenn er davon ausging, dass Energie in individuellen Einheiten existierte. Genau wie Materie, und nicht nur als konstante elektromagnetische Welle - wie man früher angenommen hatte - und daher quantifizierbar war. Die Existenz dieser Einheiten wurde die erste Annahme der Quantentheorie.

Planck schrieb eine mathematische Gleichung mit einer Zahl, um diese einzelnen Energieeinheiten, die er Quanten nannte, darzustellen. Die Gleichung erklärte das Phänomen sehr gut; Planck fand heraus, dass die Energie eines glühenden Körpers bei bestimmten diskreten Temperaturniveaus (exakte Vielfache eines grundlegenden Mindestwerts) verschiedene Bereiche des Farbspektrums einnimmt. Planck ging davon aus, dass aus der Entdeckung der Quanten noch eine Theorie entstehen würde, doch in Wirklichkeit bedeutete ihre Existenz ein völlig neues und grundlegendes Verständnis der Naturgesetze. Planck erhielt für seine Theorie 1918 den Nobelpreis für Physik, aber die Entwicklungen verschiedener Wissenschaftler über einen Zeitraum von dreißig Jahren trugen alle zum modernen Verständnis der Quantentheorie bei.

Die Entwicklung der Quantentheorie

• Im Jahr 1900 ging Planck von der Annahme aus, dass Energie aus einzelnen Einheiten, den Quanten, besteht.
• Im Jahr 1905 stellte Albert Einstein die Theorie auf, dass nicht nur die Energie, sondern auch die Strahlung selbst auf dieselbe Weise quantisiert wurde.
• 1924 schlug Louis de Broglie vor, dass es keinen grundlegenden Unterschied im Aufbau und Verhalten von Energie und Materie gibt; auf atomarer und subatomarer Ebene können sich beide so verhalten, als bestünden sie entweder aus Teilchen oder aus Wellen. Diese Theorie wurde als das Prinzip des Welle-Teilchen-Dualismus bekannt: Elementarteilchen sowohl aus Energie als auch aus Materie verhalten sich je nach den Bedingungen entweder wie Teilchen oder wie Wellen.
• 1927 schlug Werner Heisenberg vor, dass eine präzise, gleichzeitige Messung von zwei komplementären Werten - wie Position und Impuls eines subatomaren Teilchens - unmöglich ist. Im Gegensatz zu den Grundsätzen der klassischen Physik ist ihre gleichzeitige Messung unausweichlich fehlerhaft; je genauer ein Wert gemessen wird, desto fehlerhafter ist die Messung des anderen Wertes. Diese Theorie wurde als Unschärferelation bekannt, die Albert Einstein zu der berühmten Bemerkung veranlasste: „Gott würfelt nicht.“

Die Kopenhagener Deutung und die Viele-Welten-Theorie

Die beiden wichtigsten Interpretationen der Auswirkungen der Quantentheorie auf die Natur der Realität sind die Kopenhagener Interpretation und die Viele-Welten-Theorie. Niels Bohr schlug die Kopenhagener Deutung der Quantentheorie vor, die besagt, dass ein Teilchen das ist, was auch immer gemessen wird (zum Beispiel eine Welle oder ein Teilchen), dass man aber nicht davon ausgehen kann, dass es bestimmte Eigenschaften hat oder gar existiert, solange es nicht gemessen wird. Kurz gesagt, Bohr sagte, dass es keine objektive Realität gibt. Daraus ergibt sich das so genannte Superpositionsprinzip, das besagt, dass wir zwar nicht wissen, in welchem Zustand sich ein Objekt befindet, dass es sich aber gleichzeitig in allen möglichen Zuständen befindet, solange wir nicht nachsehen, um dies zu überprüfen.

Um diese Theorie zu veranschaulichen, eignet sich die berühmte und etwas grausame Analogie von Schrödingers Katze. Zunächst haben wir eine lebende Katze und setzen sie in eine dicke Bleibox. Zu diesem Zeitpunkt gibt es keinen Zweifel daran, dass die Katze lebendig ist. Dann werfen wir ein Fläschchen mit Zyanid hinein und verschließen die Schachtel. Wir wissen nicht, ob die Katze noch lebt oder ob die Zyanidkapsel zerbrochen ist und die Katze gestorben ist. Da wir das nicht wissen, ist die Katze nach dem Quantengesetz sowohl tot als auch lebendig - in einer Überlagerung von Zuständen. Erst wenn wir die Schachtel aufbrechen und sehen, in welchem Zustand sich die Katze befindet, wird die Überlagerung aufgehoben, und die Katze muss entweder lebendig oder tot sein.

Die zweite Interpretation der Quantentheorie ist die Theorie der vielen Welten (oder des Multiversums). Sie besagt, dass sich das Universum eines Objekts in eine Reihe von Paralleluniversen verwandelt, die der Anzahl der möglichen Zustände entspricht, in denen das Objekt existieren kann, wobei jedes Universum einen einzigen möglichen Zustand des Objekts enthält, sobald ein Potenzial für einen beliebigen Zustand besteht. Darüber hinaus gibt es einen Mechanismus für die Interaktion zwischen diesen Universen, der es ermöglicht, dass alle Zustände auf irgendeine Weise zugänglich sind und dass alle möglichen Zustände auf irgendeine Weise beeinflusst werden. Stephen Hawking und Richard Feynman gehörten zu den Wissenschaftlern, die sich für die Theorie der vielen Welten ausgesprochen haben.

Der Einfluss der Quantentheorie

Obwohl sich Wissenschaftler im letzten Jahrhundert vor den Implikationen der Quantentheorie gesträubt haben - darunter Planck und Einstein -, wurden die Prinzipien der Theorie immer wieder durch Experimente bestätigt, selbst wenn die Wissenschaftler versuchten, sie zu widerlegen. Die Quantentheorie und Einsteins Relativitätstheorie bilden die Grundlage der modernen Physik. Die Grundsätze der Quantenphysik werden in immer mehr Bereichen angewandt, darunter Quantenoptik, Quantenchemie, Quantencomputer und Quantenkryptographie.