Dieser Artikel ist ein Auszug aus dem Shortform zu „Eine kurze Geschichte der Zeit“ von Stephen Hawking. Shortform die weltweit besten Zusammenfassungen und Analysen von Büchern, die Sie lesen sollten.
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Was ist Quantentheorie? Welche Phänomene versucht die Quantenmechanik zu erklären?
Die Quantentheorie (auch bekannt als Quantenphysik oder Quantenmechanik) ist eine der grundlegenden Theorien materieller Phänomene. Sie erklärt die Eigenschaften und das Verhalten von Energie und Materie auf der Ebene von Atomen, Molekülen und subatomaren Teilchen.
Lernen Sie die Grundlagen der Quantenmechanik-Theorie, einfach erklärt.
Quantenmechanik: Die Grundlagen
In den frühen 1900er Jahren stellte der deutsche Physiker Max Planck die These auf, dass Wellen (wie Licht, Radio- und Mikrowellen) Energie nicht zufällig oder willkürlich abgeben, sondern in diskreten Mengen, die er als „Quanten“ bezeichnete. Die in einem Quant freigesetzte Energiemenge ist proportional zur Wellenfrequenz der jeweiligen Strahlungsart. Die Wellenfrequenz ist einfach die Anzahl der Wellen, die in einer bestimmten Zeiteinheit einen festen Punkt passieren.
Das Unschärfeprinzip
Werner Heisenberg folgerte aus Plancks Theorie, dass allein schon das Bestrahlen eines Teilchens mit einem Quantum hochfrequenter Lichtstrahlung (die einzige Möglichkeit, seine Position und Geschwindigkeit zu messen) das Teilchen stören und seine Geschwindigkeit beeinträchtigen würde. Wie genau diese Beeinträchtigung aussehen würde, war jedoch völlig unvorhersehbar. Der Versuch der Beobachtung machte es unmöglich, die Position und Geschwindigkeit des Teilchens genau zu bestimmen. Dies war das Unschärfeprinzip. Es markierte den Beginn des neuen Forschungsgebiets der Quantenmechanik.
Die Quantenmechanik verfolgt eher einen probabilistischen als einen absoluten Ansatz. In Übereinstimmung mit dem Unschärfeprinzip versucht sie nicht, eine einzige, definitive Interpretation oder ein einziges definitives Ergebnis für die Quantenmechanik zu finden, und das Unschärfeprinzip lehrt uns, dass es nicht besonders sinnvoll ist, sich die physikalische Welt als eine Zusammensetzung aus Wellen (wie Licht und Radio) und Teilchen (wie den Atomen, aus denen alle Materie besteht) vorzustellen. Es ist besser, unsere Beobachtungen der Welt in Bezug auf Wellen und Teilchen zu betrachten –je nach Phänomen ist es manchmal sinnvoller, Teilchen als Wellen zu betrachten, und manchmal ist es sinnvoller, Wellen als Teilchen zu betrachten.
Diese Theorien, die das unterschiedliche Verhalten von Teilchen und Wellen begründen, haben unser Verständnis der Struktur von Atomen und Molekülen tiefgreifend beeinflusst. Wir können zwar niemals die Bewegung von Elektronen innerhalb von Atomen mit hundertprozentiger Sicherheit vorhersagen, aber wir können die Wahrscheinlichkeiten verschiedener Ereignisse innerhalb der durch das Unschärfeprinzip auferlegten Beschränkungen vorhersagen . Jede Beobachtung. Es sagt eine Reihe möglicher Ergebnisse voraus und versucht, die Wahrscheinlichkeiten für jedes einzelne zu berechnen.
Imaginäre Zahlen
Ein Aspekt der Quantentheorie ist, dass Teilchen nicht nur einer einzigen Geschichte folgen, sondern einer Reihe möglicher Geschichten, die sich über die gesamte Raumzeit erstrecken. Wir berechnen die Wahrscheinlichkeit jeder Geschichte, um zu bestimmen, wie wahrscheinlich es ist, dass sich ein Teilchen an einem bestimmten Punkt in der Raumzeit befunden hat. Ein gewisses Maß an Unvorhersehbarkeit und Zufälligkeit ist somit ein fester Bestandteil der Quantentheorie.
Wir können die Prinzipien der Quantenmechanik auf den mathematischen Begriff der „imaginären Zahlen“ ausweiten. Imaginäre Zahlen sind ein etabliertes Konzept und beziehen sich auf Zahlen, die senkrecht zu denen auf einer traditionellen negativen-positiven Zahlengeraden liegen (deren Werte visuell als von links nach rechts verlaufend dargestellt werden können).
Imaginäre Zahlen ergeben im Gegensatz zu reellen Zahlen negative Werte, wenn sie mit sich selbst multipliziert werden. Die Quantenmechanik lässt zu, dass Teilchen neben negativen und positiven Werten (oder „rückwärts“ und „vorwärts“) auch andere Werte annehmen können. In diesem Modell wäre die Raumzeit in ihrer Ausdehnung endlich, aber dennoch grenzenlos (wie die Erde, die eine endliche Masse und ein endliches Volumen hat, aber keine Kanten oder Grenzen).
Das klassische Problem der allgemeinen Relativitätstheorie ist die Singularität, der Bereich der Raumzeit vor dem Urknall oder an einem Schwarzen Loch – die Grenzen des beobachtbaren Universums, an denen die Vorhersagbarkeit zusammenbrechen würde. Die Quantenmechanik umgeht dieses Problem jedoch, da sie davon ausgeht, dass es keine Grenzen gibt. Das Universum existiert einfach, unbeeinflusst von allem, was außerhalb liegt.
Mit imaginären Zahlen, bei denen Zeit und Raum nicht zu unterscheiden sind, leben wir vielleicht nur in einer der möglichen Geschichten des Universums, während es unzählige andere auf einer anderen Ebene der Existenz gibt, die wir niemals sehen oder die uns niemals beeinflussen können.
Quantenmechanik vs. Relativitätstheorie
Die Quantenmechanik ist mit den Vorhersagen der Relativitätstheorie unvereinbar – obwohl beide, paradoxerweise, gut erprobte Theorien sind, die genaue Vorhersagen über das Universum treffen. Die Vorhersagen der Relativitätstheorie, die sich mit Phänomenen auf der massiven, universellen Ebene befassen, versagen, wenn sie auf die subatomare Ebene der Quantenmechanik angewendet werden. So vieles, was wir über Physik zu wissen glauben, versagt einfach auf der Quantenebene, wo sich Teilchen auf seltsame und – dank des Unschärfeprinzips – unvorhersehbare Weise verhalten. Die Vereinigung von Quantenmechanik und Relativitätstheorie ist eine der großen Herausforderungen bei der Erstellung einer vollständigen Theorie des Universums .
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Hier finden Sie in unserer vollständigen Zusammenfassung von „Eine kurze Geschichte der Zeit“ :
- Die Suche nach einer Theorie, die die Geschichte und Entwicklung unseres Universums erklärt
- Stephen Hawkings Diskussionen über Zeit, Raum, Dimensionen und Quantentheorie
- Wie Zeitreisen theoretisch funktionieren würden
