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 die Quantentheorie? Welche Phänomene versucht die Quantenmechanik zu erklären?
Die Quantentheorie (auch bekannt als Quantenphysik oder Quantenmechanik) ist eine der grundlegenden Theorien zu materiellen Phänomenen. 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 – einfach erklärt.
Quantenmechanik: Die Grundlagen
Anfang des 20. Jahrhunderts 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 Einheiten, die er „Quanten“ nannte. 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 schloss aus Plancks Theorie, dass bereits der Vorgang, ein hochfrequentes Lichtquant auf ein Teilchen zu richten (was die einzige Möglichkeit war, dessen Position und Geschwindigkeit zu messen), das Teilchen an sich stören und dessen Geschwindigkeit verändern würde. Wie genau diese Veränderung jedoch ausfallen würde, war völlig unvorhersehbar. Gerade der Versuch der Beobachtung machte es unmöglich, Position und Geschwindigkeit des Teilchens genau zu bestimmen. Dies war das Unschärfeprinzip. Es markierte den Beginn des neuen Forschungsgebiets der Quantenmechanik.
Die Quantenmechanik verfolgt einen probabilistischen Ansatz statt eines absoluten. Gemäß dem Unschärfeprinzip strebt sie nicht danach, eine einzige, endgültige Interpretation festzulegen, und das Unschärfeprinzip lehrt uns, dass es nicht besonders sinnvoll ist, sich die physikalische Welt als eine Zusammensetzung aus Wellen (wie Licht und Radiowellen) und Teilchen (wie den Atomen, aus denen alle Materie besteht) vorzustellen. Es ist besser, unsere Beobachtungen der Welt im Hinblick 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 wechselnde Verhalten von Teilchen und Wellen erklären, haben unser Verständnis der Struktur von Atomen und Molekülen tiefgreifend beeinflusst. Auch wenn wir die Bewegung von Elektronen innerhalb von Atomen niemals mit hundertprozentiger Sicherheit vorhersagen können, lassen sich doch die Wahrscheinlichkeiten verschiedener Ereignisse innerhalb der durch das Unschärfeprinzip gesetzten Grenzen vorhersagen . Jede Beobachtung. Es sagt eine Bandbreite möglicher Ergebnisse voraus und versucht, für jedes einzelne die Wahrscheinlichkeit zu berechnen.
Imaginäre Zahlen
Ein Aspekt der Quantentheorie besteht darin, dass Teilchen nicht nur einem einzigen Verlauf folgen, sondern stattdessen einer Reihe möglicher Verläufe in der gesamten Raumzeit. Wir berechnen die Wahrscheinlichkeit jedes einzelnen Verlaufs , um zu bestimmen, wie wahrscheinlich es ist, dass sich ein Teilchen an einem bestimmten Punkt in der Raumzeit befunden hat. Der Quantentheorie ist somit ein gewisses Maß an Unvorhersehbarkeit und Zufälligkeit innewohnend.
Wir können die Prinzipien der Quantenmechanik auf den mathematischen Begriff der „imaginären Zahlen“ ausweiten. Imaginäre Zahlen sind ein etabliertes Konzept und bezeichnen Zahlen, die senkrecht zu denen auf einer herkömmlichen Zahlenachse mit negativen und positiven Werten stehen (deren Werte visuell als von links nach rechts verlaufend dargestellt werden können).
Im Gegensatz zu reellen Zahlen ergeben imaginäre Zahlen bei der Multiplikation mit sich selbst negative Werte. 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 zwar in ihrer Ausdehnung endlich, aber dennoch grenzenlos (wie die Erde, die eine endliche Masse und ein endliches Volumen hat, aber keinen Rand und keine Grenze).
Das klassische Problem der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Singularität, jener Bereich der Raumzeit vor dem Urknall oder an einem Schwarzen Loch – die Grenzen des beobachtbaren Universums, an denen die Vorhersagbarkeit versagen 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.
In einer Welt der imaginären Zahlen, in der Zeit und Raum nicht voneinander zu unterscheiden sind, leben wir vielleicht gerade in einer der möglichen Geschichtsverläufe des Universums, während unzählige andere auf einer anderen Ebene der Existenz existieren, die wir niemals sehen können und von der wir nicht beeinflusst werden.
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 von dem, was wir über die Physik zu wissen glauben , bricht auf der Quantenebene einfach zusammen, 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 Erarbeitung einer vollständigen Theorie des Universums.
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Das erwartet Sie in unserer vollständige Zusammenfassung von „Eine kurze Geschichte der Zeit“ :
- Die Suche nach einer Theorie, die die Geschichte und Entwicklung unseres Universums erklärt
- Stephen Hawkings Ausführungen zu Zeit, Raum, Dimensionen und Quantentheorie
- Wie Zeitreisen theoretisch funktionieren würden
