Sechs Dinge, die jeder über die Quantenphysik wissen sollte

Die Quantenphysik ist normalerweise von Anfang an einschüchternd. Sie ist irgendwie seltsam und kann kontra-intuitiv erscheinen, selbst für die Physiker, die sich täglich damit beschäftigen. Aber es ist nicht unverständlich. Wenn Sie etwas über Quantenphysik lesen, sollten Sie sich vor allem sechs Schlüsselbegriffe vor Augen halten. Wenn Sie das tun, werden Sie die Quantenphysik viel leichter verstehen.

Alles besteht aus Wellen; auch Teilchen

Es gibt viele Anknüpfungspunkte für diese Art von Diskussion, und dieser ist so gut wie jeder andere: Alles im Universum hat gleichzeitig Teilchen- und Wellennatur. Es gibt eine Zeile in Greg Bears Fantasy-Duologie (Das Unendlichkeitskonzert und Der Schlangenmagier), in der eine Figur, die die Grundlagen der Magie beschreibt, sagt: „Alles ist Welle, ohne dass sich etwas bewegt, über keinerlei Distanz.“ Das hat mir als poetische Beschreibung der Quantenphysik immer sehr gut gefallen – tief im Inneren hat alles im Universum Wellennatur.

Natürlich hat alles im Universum auch Teilchennatur. Das scheint völlig verrückt zu sein, ist aber eine experimentelle Tatsache, die durch einen überraschend vertrauten Prozess herausgefunden wurde:

(es gibt auch eine animierte Version davon, die ich für TED-Ed gemacht habe).

Natürlich ist die Beschreibung von realen Objekten sowohl als Teilchen als auch als Wellen notwendigerweise etwas ungenau. Genau genommen handelt es sich bei den von der Quantenphysik beschriebenen Objekten weder um Teilchen noch um Wellen, sondern um eine dritte Kategorie, die einige Eigenschaften von Wellen (eine charakteristische Frequenz und Wellenlänge, eine gewisse räumliche Verteilung) und einige Eigenschaften von Teilchen (sie sind im Allgemeinen zählbar und können bis zu einem gewissen Grad lokalisiert werden) aufweist. Dies führt zu einer lebhaften Debatte in der Physikausbildung darüber, ob es wirklich angemessen ist, in Einführungskursen über Licht als Teilchen zu sprechen; nicht, weil es irgendeine Kontroverse darüber gibt, ob Licht Teilchencharakter hat, sondern weil die Bezeichnung von Photonen als „Teilchen“ und nicht als „Anregungen eines Quantenfeldes“ zu einigen Missverständnissen bei den Schülern führen könnte. Ich neige dazu, dem nicht zuzustimmen, weil viele der gleichen Bedenken auch gegen die Bezeichnung von Elektronen als „Teilchen“ vorgebracht werden könnten, aber es ist eine verlässliche Quelle für Blog-Unterhaltungen.

Diese „Tür Nummer drei“-Natur von Quantenobjekten spiegelt sich in der manchmal verwirrenden Sprache wider, die Physiker verwenden, um über Quantenphänomene zu sprechen. Das Higgs-Boson wurde am Large Hadron Collider als Teilchen entdeckt, aber man hört auch, dass Physiker vom „Higgs-Feld“ als einem delokalisierten Ding sprechen, das den ganzen Raum ausfüllt. Das liegt daran, dass es unter bestimmten Umständen, wie z. B. bei Collider-Experimenten, bequemer ist, über Anregungen des Higgs-Feldes in einer Weise zu sprechen, die die teilchenähnlichen Eigenschaften hervorhebt, während es unter anderen Umständen, wie z. B. bei allgemeinen Diskussionen darüber, warum bestimmte Teilchen Masse haben, bequemer ist, die Physik in Form von Wechselwirkungen mit einem das Universum ausfüllenden Quantenfeld zu diskutieren. Es ist einfach eine andere Sprache, die dasselbe mathematische Objekt beschreibt.

Quantenphysik ist diskret

Das Wort „Quantum“ kommt vom lateinischen Wort für „wie viel“ und spiegelt die Tatsache wider, dass in Quantenmodellen immer etwas in diskreten Mengen enthalten ist. Die in einem Quantenfeld enthaltene Energie wird in ganzzahligen Vielfachen einer gewissen Grundenergie angegeben. Bei Licht hängt dies mit der Frequenz und der Wellenlänge des Lichts zusammen – hochfrequentes, kurzwelliges Licht hat eine große charakteristische Energie, während niederfrequentes, langwelliges Licht eine kleine charakteristische Energie hat.

In beiden Fällen ist die in einem bestimmten Lichtfeld enthaltene Gesamtenergie jedoch ein ganzzahliges Vielfaches dieser Energie – das 1, 2, 14, 137-fache – und niemals ein seltsamer Bruchteil wie anderthalb, π oder die Quadratwurzel aus zwei. Diese Eigenschaft findet sich auch in den diskreten Energieniveaus von Atomen und den Energiebändern von Festkörpern wieder – bestimmte Energiewerte sind erlaubt, andere nicht. Atomuhren funktionieren aufgrund der Diskretion der Quantenphysik, indem sie die mit einem Übergang zwischen zwei erlaubten Zuständen in Cäsium verbundene Lichtfrequenz nutzen, um die Zeit auf einem Niveau zu halten, das die letzte Woche hinzugefügte, vieldiskutierte „Schaltsekunde“ erfordert.

Ultrapräzise Spektroskopie kann auch dazu verwendet werden, nach Dingen wie dunkler Materie zu suchen, und ist Teil der Motivation für ein Institut für Niederenergie-Fundamentalphysik.

Das ist nicht immer offensichtlich – selbst einige Dinge, die grundsätzlich quantenphysikalisch sind, wie die Schwarzkörperstrahlung, scheinen kontinuierliche Verteilungen zu beinhalten. Aber es gibt immer eine Art von Granularität der zugrunde liegenden Realität, wenn man in die Mathematik eindringt, und das ist ein großer Teil dessen, was zu den Merkwürdigkeiten der Theorie führt.

Quantenphysik ist probabilistisch

Einer der überraschendsten und (zumindest historisch gesehen) umstrittensten Aspekte der Quantenphysik ist, dass es unmöglich ist, das Ergebnis eines einzelnen Experiments an einem Quantensystem mit Sicherheit vorherzusagen. Wenn Physiker das Ergebnis eines Experiments vorhersagen, erfolgt die Vorhersage immer in Form einer Wahrscheinlichkeit für jedes der möglichen Ergebnisse, und Vergleiche zwischen Theorie und Experiment beinhalten immer die Ableitung von Wahrscheinlichkeitsverteilungen aus vielen wiederholten Experimenten.

Die mathematische Beschreibung eines Quantensystems erfolgt in der Regel in Form einer „Wellenfunktion“, die in Gleichungen im Allgemeinen durch den griechischen Buchstaben psi dargestellt wird: Ψ. Es gibt viele Debatten darüber, was genau diese Wellenfunktion repräsentiert, wobei es zwei Hauptlager gibt: diejenigen, die die Wellenfunktion als reale physikalische Größe betrachten (der Fachausdruck für diese Theorien ist „ontische“ Theorien, was einen witzigen Menschen dazu veranlasst hat, ihre Befürworter als „Psi-ontologen“ zu bezeichnen) und diejenigen, die die Wellenfunktion lediglich als Ausdruck unseres Wissens (oder des Mangels daran) über den zugrunde liegenden Zustand eines bestimmten Quantenobjekts betrachten („epistemische“ Theorien).

In beiden Klassen von Grundmodellen wird die Wahrscheinlichkeit, ein Ergebnis zu finden, nicht direkt durch die Wellenfunktion gegeben, sondern durch das Quadrat der Wellenfunktion (zumindest grob gesagt; die Wellenfunktion ist ein komplexes mathematisches Objekt (d.h. sie beinhaltet imaginäre Zahlen wie die Quadratwurzel aus negativem Eins), und die Operation, um die Wahrscheinlichkeit zu erhalten, ist etwas komplizierter, aber „Quadrat der Wellenfunktion“ reicht aus, um die Grundidee zu verstehen). Dies ist als „Born-Regel“ bekannt, nach dem deutschen Physiker Max Born, der dies zuerst vorschlug (in einer Fußnote zu einem Aufsatz aus dem Jahr 1926), und wird von einigen Leuten als hässliche Ad-hoc-Ergänzung empfunden. In einigen Teilen der Quantenfundamente gibt es aktive Bemühungen, einen Weg zu finden, die Born-Regel aus einem grundlegenderen Prinzip abzuleiten; bis heute war keine dieser Bemühungen vollständig erfolgreich, aber sie bringt eine Menge interessanter Wissenschaft hervor.

Dies ist auch der Aspekt der Theorie, der dazu führt, dass Teilchen sich in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden. Alles, was wir vorhersagen können, ist die Wahrscheinlichkeit, und vor einer Messung, die ein bestimmtes Ergebnis bestimmt, befindet sich das gemessene System in einem unbestimmten Zustand, der mathematisch eine Überlagerung aller Möglichkeiten mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten darstellt. Ob man dies als einen Zustand ansieht, in dem sich das System wirklich in allen Zuständen gleichzeitig befindet, oder nur in einem unbekannten Zustand, hängt weitgehend davon ab, wie man zu ontischen oder epistemischen Modellen steht, obwohl beide den Beschränkungen des nächsten Punktes auf der Liste unterliegen:

Quantenphysik ist nicht lokal

Der letzte große Beitrag, den Einstein zur Physik leistete, wurde nicht allgemein als solcher anerkannt, vor allem, weil er falsch lag. In einem Papier aus dem Jahr 1935, das er zusammen mit seinen jüngeren Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen verfasste (das „EPR-Papier“), lieferte Einstein eine klare mathematische Erklärung für etwas, das ihn schon seit einiger Zeit beschäftigte, eine Idee, die wir heute als „Verschränkung“ bezeichnen.

In dem EPR-Papier wurde argumentiert, dass die Quantenphysik die Existenz von Systemen zulässt, in denen Messungen, die an weit voneinander entfernten Orten vorgenommen werden, in einer Weise korreliert werden können, die vermuten lässt, dass das Ergebnis der einen Messung durch das Ergebnis der anderen bestimmt wird. Dies bedeute, dass die Messergebnisse im Voraus durch einen gemeinsamen Faktor bestimmt werden müssten, da die Alternative eine Übertragung des Ergebnisses der einen Messung an den Ort der anderen mit Geschwindigkeiten über der Lichtgeschwindigkeit erfordern würde. Daher muss die Quantenmechanik unvollständig sein, eine bloße Annäherung an eine tiefere Theorie (eine Theorie mit „lokaler verborgener Variable“, in der die Ergebnisse einer bestimmten Messung nicht von etwas abhängen, das weiter vom Messort entfernt ist, als ein Signal mit Lichtgeschwindigkeit reisen könnte („lokal“), sondern durch einen Faktor bestimmt werden, der beiden Systemen in einem verschränkten Paar gemeinsam ist (die „verborgene Variable“)).

Dies wurde etwa dreißig Jahre lang als merkwürdige Fußnote betrachtet, da es keine Möglichkeit zu geben schien, es zu testen, aber Mitte der 1960er Jahre arbeitete der irische Physiker John Bell die Konsequenzen des EPR-Papiers detaillierter aus. Bell zeigte, dass man Umstände finden kann, unter denen die Quantenmechanik Korrelationen zwischen weit entfernten Messungen vorhersagt, die stärker sind als jede mögliche Theorie des von E, P und R bevorzugten Typs. Dies wurde Mitte der 1970er Jahre von John Clauser experimentell getestet, und eine Reihe von Experimenten von Alain Aspect in den frühen 1980er Jahren wird weithin als endgültiger Beweis dafür angesehen, dass diese verschränkten Systeme unmöglich durch eine lokale Theorie der verborgenen Variablen erklärt werden können.

Der gängigste Ansatz zum Verständnis dieses Ergebnisses besteht darin, zu sagen, dass die Quantenmechanik nichtlokal ist: dass die Ergebnisse von Messungen, die an einem bestimmten Ort vorgenommen werden, von den Eigenschaften entfernter Objekte in einer Weise abhängen können, die sich nicht durch Signale erklären lässt, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Dies erlaubt jedoch nicht das Senden von Informationen mit Geschwindigkeiten, die über die Lichtgeschwindigkeit hinausgehen, obwohl es eine Reihe von Versuchen gegeben hat, einen Weg zu finden, die Nichtlokalität der Quanten zu nutzen, um dies zu erreichen. Diese zu widerlegen, hat sich als ein überraschend produktives Unterfangen erwiesen – weitere Einzelheiten finden Sie in David Kaisers How the Hippies Saved Physics. Die Quanten-Nichtlokalität ist auch von zentraler Bedeutung für das Problem der Information in verdampfenden schwarzen Löchern und die „Firewall“-Kontroverse, die in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erregt hat. Es gibt sogar einige radikale Ideen, die eine mathematische Verbindung zwischen den im EPR-Papier beschriebenen verschränkten Teilchen und Wurmlöchern vorsehen.

Quantenphysik ist (meistens) sehr klein

Die Quantenphysik hat den Ruf, unheimlich zu sein, weil ihre Vorhersagen sich dramatisch von unserer alltäglichen Erfahrung unterscheiden (zumindest für Menschen – der Witz meines Buches ist, dass sie Hunden nicht so unheimlich erscheint). Das liegt daran, dass die beteiligten Effekte kleiner werden, wenn die Objekte größer werden – wenn man ein eindeutiges Quantenverhalten sehen will, muss man Teilchen sehen, die sich wie Wellen verhalten, und die Wellenlänge nimmt ab, wenn der Impuls zunimmt. Die Wellenlänge eines makroskopischen Objekts wie eines Hundes, der durch den Raum läuft, ist so lächerlich klein, dass, wenn man alles so ausdehnt, dass ein einziges Atom im Raum die Größe des gesamten Sonnensystems hätte, die Wellenlänge des Hundes ungefähr der Größe eines einzigen Atoms in diesem Sonnensystem entspräche.

Das bedeutet, dass Quantenphänomene größtenteils auf die Skala von Atomen und fundamentalen Teilchen beschränkt sind, wo die Massen und Geschwindigkeiten klein genug sind, um die Wellenlängen groß genug werden zu lassen, um sie direkt zu beobachten. In verschiedenen Bereichen wird jedoch aktiv daran gearbeitet, die Größe von Systemen, in denen Quanteneffekte auftreten, zu erhöhen. Ich habe in einem Blog über Experimente der Gruppe von Markus Arndt berichtet, die wellenähnliches Verhalten in immer größeren Molekülen zeigen, und es gibt eine Reihe von Gruppen im Bereich der „Hohlraum-Optomechanik“, die versuchen, die Bewegung von Siliziumbrocken mit Hilfe von Licht so weit zu verlangsamen, dass die diskrete Quantennatur der Bewegung deutlich wird. Es gibt sogar einige Vorschläge, dass es möglich sein könnte, dies mit schwebenden Spiegeln zu tun, die eine Masse von mehreren Gramm haben, was erstaunlich cool wäre.

Quantenphysik ist keine Magie

Der vorangegangene Punkt führt ganz natürlich zu diesem: So seltsam es auch erscheinen mag, die Quantenphysik ist ganz bestimmt keine Magie. Die Dinge, die sie vorhersagt, sind nach den Maßstäben der Alltagsphysik seltsam, aber sie werden durch wohlverstandene mathematische Regeln und Prinzipien streng eingegrenzt.

Wenn Ihnen also jemand mit einer „Quanten“-Idee kommt, die zu schön scheint, um wahr zu sein – freie Energie, mystische Heilkräfte, unmögliche Raumfahrtantriebe – dann ist das mit ziemlicher Sicherheit so. Das bedeutet nicht, dass wir die Quantenphysik nicht nutzen können, um erstaunliche Dinge zu tun – man kann wirklich coole Physik in alltäglicher Technologie finden – aber diese Dinge bleiben innerhalb der Grenzen der Gesetze der Thermodynamik und des gesunden Menschenverstandes.

So, da haben Sie es: die wichtigsten Grundlagen der Quantenphysik. Ich habe wahrscheinlich ein paar Dinge ausgelassen oder einige Aussagen gemacht, die nicht präzise genug sind, um jeden zufrieden zu stellen, aber dies sollte zumindest als nützlicher Ausgangspunkt für weitere Diskussionen dienen.