Stellen Sie sich vor, Sie glauben herausgefunden zu haben, wie das Universum funktioniert - nur um dann festzustellen, dass alles nach Regeln funktioniert, die dem gesunden Menschenverstand zu widersprechen scheinen. Genau das passierte den Physikern in den frühen 1900er Jahren, als sie begannen, Atome und Licht zu untersuchen.
Die klassische Physik behandelte die Welt wie eine berechenbare Maschine. Doch Experimente erschütterten diese Annahmen und zwangen die Wissenschaftler, einen völlig neuen Rahmen zu schaffen: die Quantenmechanik. Lesen Sie weiter, um den Unterschied zwischen der klassischen Physik und der Quantenmechanik zu erkunden und zu erfahren, wie die Revolution eine Realität aufdeckte, die weitaus seltsamer war, als man sich vorstellen konnte.
Inhaltsübersicht
Der Unterschied zwischen klassischer Mechanik und Quantenmechanik
In seinem Buch Was ist wirklich?erklärt Adam Becker, dass die Physiker zu Beginn des 20. Jahrhunderts glaubten, die Grundstruktur der Wirklichkeit erfasst zu haben. Doch Experimente mit Atomen erschütterten ihre grundlegendsten Annahmen über die Welt. Becker berichtet, dass dies die Physiker dazu zwang, einen völlig neuen Zweig der Physik zu entwickeln - und eine neue Mathematik, um ihn zu beschreiben. Es zeigte sich, dass die Bausteine der Natur nach so seltsamen Regeln funktionieren, dass sie die Logik zu verletzen scheinen. Sehen wir uns an, was die Physiker über die Welt zu wissen glaubten und wie die Quantenmechanik diese Vorstellungen umgestoßen hat.
Was Physiker zu wissen glaubten
Becker erklärt, dass die klassische Physik auf intuitiven Annahmen über die Realität beruhte, die die beobachtbare Welt erfolgreich erklärten. Physiker betrachteten Atome als die Grundbausteine der Materie - winzige Kugeln, die sich zu chemischen Verbindungen zusammenfügen. Ihrer Ansicht nach hatte jedes Atom eine bestimmte Position, Geschwindigkeit und Energie, die sich nur gemäß den Newtonschen Gesetzen veränderten. Spätere Entdeckungen zeigten, dass Atome eigentlich keine festen Kugeln sind, sondern hauptsächlich aus leerem Raum bestehen, in dem Elektronen einen dichten Kern umkreisen, der positiv geladene Protonen enthält. Dieses "Planetenmodell" legte nahe, dass Atome wie Miniatur-Sonnensysteme funktionieren und denselben physikalischen Gesetzen gehorchen wie Planeten und Sterne.
(Kurzer Hinweis: Die Fortschritte bei unserem Verständnis des Atoms veranschaulichen, was Wissenschaftler unter einer "Theorie" verstehen: eine Erklärung für Beobachtungen, die viele Fakten und Hypothesen zusammenfasst und geändert oder aufgegeben werden kann, wenn sie anhand neuer Beweise überprüft wird. Wir können diese Entwicklung in der Atomtheorie beobachten: Die alten Griechen stellten sich Atome als unteilbare Teilchen vor. John Dalton stellte sie sich als feste Kugeln mit unterschiedlichem Gewicht vor, die sich zu Verbindungen verbinden. J.J. Thomsons "Plum Pudding"-Modell stellte sie sich als Kugeln aus positiver Materie vor, in denen negative Elektronen verstreut sind, wie Rosinen im Pudding. Dann zeigten die Experimente von Ernest Rutherford, dass Atome aus einem Kern bestehen , der von Elektronen umgeben ist(daher das Planetenmodell).
Das Planetenmodell der Atome war nicht die einzige Annahme, die die klassische Physik für selbstverständlich hielt. Die Physiker glaubten, dass Energie kontinuierlich fließt, wie Wasser aus einem Wasserhahn - man kann jede Menge Energie haben, von viel bis wenig bis zu jedem Bruchteil dazwischen. Sie unterschieden zwischen Wellen und Teilchen: Wellen breiten sich im Raum aus und stören sich gegenseitig, wenn sie aufeinander treffen, während Teilchen bestimmten Bahnen folgen und wie feste Objekte zusammenstoßen. Schließlich gingen die Physiker davon aus, dass alle Objekte bestimmte Eigenschaften haben, unabhängig davon, ob man sie beobachtet oder nicht.
| Die Annahmen der modernen Physik Auch heute noch beruht die Physik auf grundlegenden Annahmen über das Universum, obwohl frühere Annahmen - wie die von Becker aufgelisteten - inzwischen widerlegt sind. Wie Neil deGrasse Tyson erklärt in Astrophysics for People in a Hurryerklärt, geht die moderne Wissenschaft davon aus, dass die physikalischen Gesetze über Raum und Zeit hinweg konstant bleiben, so dass die gleichen Regeln, die für die Atome auf der Erde gelten, auch für Sterne gelten, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind. Diese Annahme der Universalität ermöglicht es den Physikern, sinnvolle Vorhersagen über weit entfernte Objekte und vergangene Ereignisse zu machen. Tyson weist jedoch darauf hin, dass man beim Aufbau der Wissenschaft auf Annahmen auch akzeptieren muss, dass alle wissenschaftlichen Erkenntnisse vorläufig sind und sich ändern können, wenn neue Beweise auftauchen. Beispielsweise schienen die Newtonschen Gesetze jahrhundertelang perfekt zu funktionieren - bis Einstein zeigte, dass sie auf unbegründeten Annahmen beruhten, die dazu führten, dass sie bei extremen Geschwindigkeiten und Massen zusammenbrachen. Selbst Einsteins Theorien könnten eines Tages überarbeitet werden müssen. Dies offenbart etwas Unangenehmes über die Wissenschaft: Erfolgreiche Theorien sind keine Entdeckungen der absoluten Wahrheit, sondern nur unsere derzeit besten Beschreibungen der Muster, die wir beobachten. Wenn wir sagen, dass "Energie kontinuierlich fließt", können wir nicht behaupten, dass wir das wahre Wesen der Energie entdeckt haben: Wir beschreiben nur, wie sich Energie zu verhalten scheint. Unsere Theorien ordnen unsere Erfahrungen und sagen sie voraus, aber sie bleiben menschliche Konstruktionen und nicht direkte Einblicke in die Realität. |
Was die Quantenmechanik stattdessen enthüllt
Zu dieser Zeit stand die Physik an der Schwelle eines Paradigmenwechsels: Becker erklärt, dass Experimente mit Atomen und Licht eine mikroskopische Welt offenbarten, in der Energie in diskreten Stücken auftritt, statt gleichmäßig zu fließen, in der Materie und Licht gleichzeitig Eigenschaften von Wellen und Teilchen aufweisen und in der Elektronen nur bestimmte Energieniveaus und nicht beliebige Energiewerte einnehmen können. Als Physiker eine neue Mathematik entwickelten, um diese Beobachtungen zu erklären, entdeckten sie, dass Teilchen in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren und sich über große Entfernungen gegenseitig beeinflussen können - Phänomene, die der Alltagserfahrung zu widersprechen scheinen.
(Kurzer Hinweis: Becker beschreibt die Quantenmechanik als einen "Paradigmenwechsel", ein Begriff, der von Thomas Kuhn geprägt wurde, um zu erklären, wie sich die Wissenschaft weiterentwickelt. Ein "Paradigma" ist ein Rahmen von Annahmen, Methoden und Werten, der die Herangehensweise von Wissenschaftlern an Probleme bestimmt. Kuhn schrieb in Die Struktur der wissenschaftlichen Revolutionen dass "normale Wissenschaft" dadurch entsteht, dass Forscher innerhalb eines etablierten Paradigmas Fakten anhäufen und Rätsel lösen. Wenn sie jedoch zu viele Anomalien finden, die das aktuelle Paradigma nicht erklären kann, müssen sie ein neues Paradigma annehmen, um ihre Beobachtungen besser zu erklären. Kuhn zeigte, dass der wissenschaftliche "Fortschritt" nicht immer linear verläuft: Manchmal muss man, um voranzukommen, aufgeben, was man zu wissen glaubte.)
Energie kommt in Paketen, die "Quanten" genannt werden
Becker berichtet, dass die erste Annahme der klassischen Physik, die zu Fall gebracht wurde, die der Kontinuität der Energie war. Im Jahr 1900 nahm der deutsche Physiker Max Planck ein praktisches Problem in Angriff: Er wollte Glühbirnen verbessern, indem er untersuchte, wie erhitzte Gegenstände Licht aussenden. Jeder kannte das Muster: Ein Schürhaken, der im Kamin liegt, ist zunächst schwarz, leuchtet dann rot, dann orange und schließlich weißglühend. Die klassische Physik sagte voraus, dass erhitzte Objekte alle Farben des Lichts gleichmäßig aussenden sollten, was das Licht bei jeder Temperatur weiß erscheinen lassen würde. Planck entdeckte, dass er die Beobachtungen in der realen Welt nur erklären konnte, wenn er die Kontinuitätsannahme aufgab und durch eine neue Annahme ersetzte: Energie kommt in unteilbaren Paketen vor, die Planck "Quanten" nannte, wie Münzen, die nicht in kleinere Stückelungen zerlegt werden können.
Laut Becker war Plancks wichtigste Erkenntnis, dass verschiedene Farben des Lichts unterschiedlich große Energiepakete erfordern. Licht mit höherer Frequenz (wie Blau) erfordert größere Energiepakete als Licht mit niedrigerer Frequenz (wie Rot). Dies erklärte die Farbentwicklung des Pokers: Bei niedrigen Temperaturen fehlt den erhitzten Objekten die Energie, um die großen Pakete zu erzeugen, die für Farben mit höheren Frequenzen erforderlich sind, so dass sie rotes und orangefarbenes Licht aussenden. Mit zunehmender Temperatur steht mehr Energie zur Verfügung, so dass sich das Glühen in Richtung Weiß verschiebt. Albert Einstein erweiterte diese Erkenntnis 1905, indem er nachwies, dass sich das Licht selbst in diskreten, quantisierten Paketen, den so genannten "Photonen", bewegt.
| Das verpixelte Universum: Was "quantisiert" wirklich bedeutet Was bedeutet es eigentlich, dass Energie "quantisiert" ist? Denken Sie an den Bildschirm Ihres Smartphones: Aus der Ferne sehen die Bilder glatt aus, aber wenn Sie weit genug heranzoomen, sehen Sie die Pixel, aus denen das Bild besteht. Die Quantenphysik legt nahe, dass Energie auf die gleiche Weise funktioniert. Licht, das eine Form von Energie ist, kann nur in ganzen Photonen vorkommen - ein halbes Photon gibt es nicht, genauso wenig wie ein halbes Pixel. Stellen Sie sich eine Videospielfigur vor, die einen Zauberspruch spricht: Das Licht, das von ihrem Zauberstab ausgeht, besteht aus einzelnen Pixeln auf dem Bildschirm, von denen jedes entweder ein- oder ausgeschaltet ist und niemals halb leuchtet. In der realen Welt funktioniert Licht auf ähnliche Weise. Atome können nur ganze Photonen aussenden, weshalb erhitzte Gegenstände in bestimmten Farbmustern und nicht in allen möglichen Schattierungen leuchten. Wenn aber Energie und Licht im Wesentlichen aus Pixeln bestehen, fragen sich einige Wissenschaftler: Was wäre, wenn auch Raum und Zeit aus Pixeln bestehen würden? Das würde bedeuten, dass es einen kleinstmöglichen Abstand zwischen zwei Teilchen gibt, so wie Videospielfiguren nur bestimmte Positionen einnehmen, und eine kleinste Zeiteinheit. Objekte könnten nicht näher beieinander liegen als ein "Raumpixel", und Ereignisse könnten in der Zeit nicht näher beieinander liegen als ein "Zeitpixel". Diese Pixel wären millionenfach kleiner als Atome, aber die Wissenschaftler führen Experimente durch, um herauszufinden, ob sie existieren. |
Materie und Licht verhalten sich sowohl wie Wellen als auch wie Teilchen
Als nächstes fiel die klassische Unterscheidung zwischen Wellen und Teilchen. Die Physiker entdeckten, dass Licht und Materie gleichzeitig Wellen- und Teilcheneigenschaften aufweisen, je nachdem, wie man sie beobachtet. Becker erklärt, wie das Doppelspaltexperiment dies demonstriert: Wenn Physiker einzelne Elektronen auf eine Schranke mit zwei parallelen Schlitzen schießen, sollten sich die Elektronen laut klassischer Physik wie winzige Teilchen verhalten, die entweder den einen oder den anderen Schlitz passieren und auf einem Detektionsschirm zwei unterschiedliche Streifen erzeugen. Stattdessen geschieht etwas scheinbar Unmögliches: Die Elektronen erzeugen Interferenzmuster - abwechselnd helle und dunkle Streifen, die wie Wellenmuster aussehen, wenn sie sich überlagern, wie etwa in einem Teich.
Die einzige Erklärung ist, dass jedes Elektron irgendwie gleichzeitig durch beide Schlitze reist und auf der anderen Seite mit sich selbst interferiert. Aber, wie Becker bemerkt, geht das Rätsel noch tiefer: Wenn die Physiker Detektoren an den Schlitzen anbringen, um zu verfolgen, welchen Weg jedes Elektron nimmt, verschwindet das Wellenmuster. Die Elektronen verhalten sich wie gewöhnliche Teilchen, die jeweils genau einen Spalt durchlaufen. Der Akt der Beobachtung ändert das Verhalten des Elektrons von wellenförmig zu teilchenförmig und zeigt, dass die Grundbausteine des Universums weder Wellen noch Teilchen sind, sondern etwas, das Aspekte beider Kategorien aufweist.
| Was bedeutet der Welle-Teilchen-Dualismus - und die Quantenwahrscheinlichkeit - eigentlich? Das Doppelspaltexperiment zeigt, warum die Quantenmechanik auf die Wahrscheinlichkeit angewiesen ist - diemathematische Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes Ergebnis eintritt. Wenn wir Elektronen auf zwei Schlitze schießen, können wir genau vorhersagen, wie das Interferenzmuster insgesamt aussehen wird, aber wir können nicht vorhersagen, wo jedes einzelne Elektron landen wird. Dies ist eine Abweichung von der klassischen Physik, wo man mit der Kenntnis der Anfangsbedingungen eines Systems theoretisch sein genaues Verhalten vorhersagen kann. Warum also benötigt die Quantenmechanik eine Wahrscheinlichkeit? Es gibt drei sehr unterschiedliche Möglichkeiten. Erstens können wir die Wahrscheinlichkeit als Ergebnis unserer Unwissenheit betrachten: Vielleicht reist jedes Elektron durch einen Spalt und folgt dabei einem Weg, den wir nicht nachvollziehen können, sodass die Wahrscheinlichkeit unser unvollständiges Wissen widerspiegelt. Zweitens könnte die Wahrscheinlichkeit widerspiegeln, dass die Natur zufällig ist: Vielleicht reist das Elektron durch beide Schlitze, bis es durch die Messung gezwungen wird, sich zufällig zu "entscheiden". Drittens könnte die Wahrscheinlichkeit notwendig sein, wenn es mehrere Realitäten gibt: Vielleicht treten beide Ergebnisse auf, aber in verschiedenen Universen, und die Wahrscheinlichkeit gibt an, in welchem man sich wiederfindet. Wie wir sehen werden, ist die Antwort auf diese Frage der Schlüssel zur Debatte darüber, was die Quantenmechanik über die Realität aussagt. |
Teilchen können nur bestimmte Energiezustände einnehmen
Die klassische Physik sagte voraus, dass Elektronen die Atomkerne wie Planeten um die Sonne umkreisen, jede mögliche Umlaufbahn einnehmen und sich allmählich spiralförmig nach innen bewegen, während sie Energie abstrahlen. Diese Energie wäre als ein kontinuierlicher Regenbogen von Farben nachweisbar, während sich die Elektronen durch alle möglichen Positionen bewegen. Als die Physiker jedoch verschiedene Elemente erhitzten, um das von ihnen erzeugte Licht zu untersuchen, entdeckten sie etwas Unerwartetes, erklärt Becker: Jedes Element erzeugt nur bestimmte Farben mit scharfen Grenzen zwischen ihnen. Natrium erzeugt immer gelbes Licht, Wasserstoff emittiert bestimmte rote Wellenlängen, und jedes andere Element hat seine eigenen einzigartigen Farben.
Der dänische Physiker Niels Bohr löste dieses Rätsel 1913, indem er vorschlug, dass Elektronen nur bestimmte Energieniveaus um den Atomkern herum einnehmen können - wie beieiner Treppe, bei der Elektronen auf bestimmten Stufen stehen können, aber niemals in den Zwischenräumen. Wenn Elektronen zwischen den Niveaus springen, emittieren oder absorbieren sie Licht mit einer Energie, die genau dem Stufenunterschied entspricht, was erklärt, warum jedes Element charakteristische Farben erzeugt. Wie Becker erklärt, gilt dieses Prinzip universell: Schwingende Moleküle, sich drehende Kerne und alle Systeme auf atomarer Ebene existieren nur in diskreten Zuständen, die durch Quantenmathematik bestimmt werden. Die glatte, kontinuierliche Welt der klassischen Physik wurde damit auf der mikroskopischen Ebene völlig umgestürzt.
| Warum Elektronen nicht einfach irgendwohin gehen können: Die Lösung der Stehenden Welle Warum können Elektronen nicht zwischen den Stufen der Bohr'schen Treppe existieren? Die Antwort erfordert ein Umdenken: Elektronen sind keine winzigen Teilchen, sondern "stehende Wellen", die perfekt in das Atom passen müssen. Stehende Wellen sind Muster, die an einem Ort schwingen, anstatt sich fortzubewegen. Denken Sie an eine Gitarrensaite: Wenn man sie zupft, können nur bestimmte Wellenlängen stabile Schwingungen bilden, die zur Länge der Saite passen. Wenn eine Welle nicht passt, hebt sie sich durch Interferenz selbst auf. Elektronen funktionieren auf die gleiche Weise, nur dass das Elektron selbst das Wellenmuster ist. So wie auf einer Gitarrensaite nur bestimmte Wellen existieren können, können auch um einen Atomkern nur bestimmte Elektronen-"Wellen" existieren. Jedes stabile Muster entspricht einem Energieniveau. Wenn also ein Elektron von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres "fällt", ordnet sich das Elektronenwellenmuster von einer stabilen Form zu einer anderen um. In diesem Fall wird die Energiedifferenz als Photon freigesetzt. Das Verständnis von Elektronen als Wellen ist nicht nur eine bequeme mathematische Beschreibung: Der Teilchenphysiker Matt Strassler (Wellen in einem unmöglichen Meer) erklärt, dass Elektronen tatsächlich Wellen sind. Dies scheint dem Welle-Teilchen-Dualismus zu widersprechen, aber Strassler schlägt vor, Elektronen als "Wellenteilchen" zu betrachten: Sie sind grundsätzlich wellenförmig (ausgebreitet, vibrierend), kommen aber in unteilbaren Einheiten vor, was sie wie Teilchen erscheinen lässt. |
Mathematik enthüllt Superposition und Verschränkung
Diese experimentellen Entdeckungen erforderten völlig neue mathematische Werkzeuge. Becker schreibt, dass Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger von 1925 bis 1926 unabhängig voneinander Rahmenwerke zur Beschreibung der Quantenrealität entwickelten. Heisenbergs "Matrixmechanik" verwendete abstrakte Zahlenreihen, wo normale Rechenregeln versagten, während Schrödingers "Wellenmechanik" Teilchen als Wellen behandelte, die von präzisen Gleichungen gesteuert wurden. Die Verknüpfung dieser Ansätze zeigte, dass Wellenfunktionen die Wahrscheinlichkeiten von Teilchen in verschiedenen Zuständen darstellen, was bedeutet, dass die Quantenmechanik nur Wahrscheinlichkeiten vorhersagen kann, aber keine eindeutigen Ergebnisse.
| Zwei Arten, dieselbe Realität zu beschreiben Diese Ansätze beschreiben dieselbe Realität auf zwei verschiedene Arten. Heisenberg verwendete Matrizen: Zahlentabellen, die Eigenschaften wie die Position oder den Impuls eines Teilchens darstellen. In der normalen Mathematik ist 3 x 2 gleich 2 x 3, aber in Quantenmatrizen ändert sich das Ergebnis, wenn man die Reihenfolge der Multiplikation ändert. In der Zwischenzeit verwendete Schrödinger Funktionen: Formeln, die für jede Eingabe eine Ausgabe liefern. Mit Schrödingers Wellenfunktionen kann man einen beliebigen Ort eingeben und erhält die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen dort zu finden. Diese Wahrscheinlichkeiten breiten sich wie Wellen im Raum aus, wobei die Spitzen die Orte anzeigen, an denen das Teilchen mit größerer Wahrscheinlichkeit gefunden wird. Jahrzehntelang nahmen die Physiker an, dass diese beiden Ansätze mathematisch gleichwertig seien. Jüngste Analysen deuten jedoch darauf hin, dass sie möglicherweise unterschiedliche Regeln für die Verbindung von Quantenmathematik und klassischer Physik verwenden, was ungelöste Komplexitäten offenbart. |
Als Heisenberg und Schrödinger die Mathematik entwickelten, wurden die Dinge noch seltsamer. Becker erklärt, dass die Mathematik die bizarrsten Eigenschaften der Quantenrealität offenbart: Überlagerung und Verschränkung. Überlagerung bedeutet, dass Teilchen in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren können. Die Verschränkung schafft Verbindungen zwischen Teilchen, so dass sich die Messung eines Teilchens sofort auf seinen Partner auswirkt, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Dennoch stellt Becker fest, dass die Mathematik von Heisenberg und Schrödinger die experimentellen Ergebnisse perfekt vorhersagen konnte. Dies löste eine Krise aus: Wenn die Mathematik so gut funktioniert, was sagt sie uns dann über die Natur der Realität?
(Kurzer Hinweis: Überlagerung und Verschränkung sind stärker miteinander verbunden, als es auf den ersten Blick scheint; die Forschung zeigt, dass diese Quantenverhaltensweisen immer zusammengehören. Hier ist der Grund dafür: Verschränkung ist im Wesentlichen eine Überlagerung von mehreren Teilchen. Wenn Teilchen verschränkt werden, befindet sich das gesamte System in einer Überlagerung verschiedener kombinierter Zustände, wie zwei Münzen, die irgendwie gleichzeitig "Kopf-Kopf" und "Schwanz-Schwanz" sind, bis jemand hinschaut. Man kann sich verschränkte Teilchen wie Zwillinge vorstellen , die das gleiche Schicksal teilen, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Diese Verbindung ist so grundlegend, dass jede Theorie, die es Teilchen ermöglicht, in mehreren Zuständen gleichzeitig zu existieren, automatisch diese Korrelationen zwischen getrennten Teilchen erzeugt).
Erfahren Sie mehr über klassische und Quantenphysik
Um den Übergang von der klassischen Physik zur Quantenmechanik besser zu verstehen, lesen Sie den Leitfaden von Shortform zu dem Buch Was ist real? von Adam Becker.
