Verhalten von Quantenobjekten

Hallo, mein Name ist Lukas. Und in diesem Video erkläre ich euch das für den äußerst beschränkten menschlichen Verstand ziemlich abstruse Verhalten von Quantenobjekten. Dazu werde ich euch im Laufe dieses Videos eine Definition eines Quantenobjektes geben, danach kurz den Gültigkeitsbereich der Quantenmechanik umreißen und anschließend an einem Beispiel den wesentlichen Unterschied zwischen einem klassischen und einem Quantenobjekt erklären. Daran werden wir auch sehen, auf welche Art und Weise uns die Quantenmechanik erlaubt, Vorhersagen über Messergebnisse zu treffen. Abschließend gebe ich euch noch eine schöne Metapher mit auf den Weg, welche zeigt, warum wir eigentlich keine Ahnung haben, was ein Quantenobjekt überhaupt ist. Wir beginnen mit der naheliegenden Frage: Was meinen wir überhaupt mit dem Wort Quantenobjekt? Naja, ganz einfach, ein Quantenobjekt ist ein Objekt, für dessen Beschreibung die Quantenmechanik verwendet werden muss. Klar. Das Gegenteil von einem Quantenobjekt ist ein klassisches Objekt, welches durch die klassischen Theorien wie die Newtonsche Mechanik und Elektrodynamik genau genug beschrieben werden kann. Die Grenze zwischen Quantenmechanik und der klassischen Physik zu ziehen, ist gar nicht so einfach und würde Stoff für ein oder sogar zwei weitere Videos bieten. Nur ganz kurz: Wenn ihr das Video über den Fotoeffekt gesehen habt, wisst ihr schon, dass Photonen neben ihren Welleneigenschaften auch Teilcheneigenschaften haben. Viele Experimente wie zum Beispiel der Doppelspaltversuch mit Elektronen, Atomen oder Molekülen, die aus mehreren hundert Atomen bestehen, zeigen, dass das auch umgekehrt gilt. Das, was wir uns normalerweise als Teilchen vorstellen, hat nun auch Welleneigenschaften. Auch makroskopische Systeme haben Quanteneffekte. Und um euch neugierig zu machen, werfe ich einfach mal die beiden Stichwörter „Supraleitung“ und „Suprafluidität“ in den Raum. Auch weiße Zwerge und Neutronensterne sind nur aufgrund von Quanteneffekten stabil. Ganz sichtbare Lichtpulse können in quantenmechanische Überlagerungen gebracht werden. Die Kernfusion in der Sonne beruht auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt. Und nicht zuletzt ist unsere Materie nur wegen den Gesetzen der Quantenmechanik überhaupt stabil. Nach den Gesetzen der Elektrodynamik würde das Elektron eines Atoms nämlich schnurstracks in dessen Kern rasen. Wir sehen hier: Es lohnt sich, das Verhalten von Quantenobjekten zu verstehen, denn die komplette uns bekannte Materie besteht aus Quantenobjekten. Dennoch haben die klassischen physikalischen Theorien ihre Daseinsberechtigung. Wir es nämlich warm und die Wechselwirkung mit der Umgebung stark, verlieren Quantenobjekte ihre Quanteneigenschaften extrem schnell und wir können die Natur sehr gut durch die bekannten und für den menschlichen Verstand verständlicheren klassischen Theorien beschreiben. Ich werde nun anhand eines Beispiels einen wichtigen Unterschied zwischen diesen bekannten klassischen Objekten und den seltsamen Quantenobjekten demonstrieren. Und zwar sperren wir einfach mal eine Bowlingkugel in eine Kiste. Diese Bowlingkugel hat einen gewissen Anfangsort und eine Anfangsgeschwindigkeit. Und wenn wir die Bowlingkugel nach einer bestimmten Zeit t fragen, wo sie ist, und wiederholen diese Experiment mit exakt gleichen Anfangsbedingungen ganz oft, so finden wir die Bowlingkugel nach der gleichen Zeit t immer an der gleichen Stelle. Dieses Verhalten nennen wir „vorherbestimmt“ oder, wenn ihr gerne Fremdwörter benutzt, auch „determiniert“. Jetzt nehmen wir die Bowlingkugel wieder raus aus der Kiste und schicken ein unschuldiges Elektron in die Gefangenschaft. Ein Quantenobjekt wie das Elektron, eingesperrt in einer Kiste, macht etwas ganz anderes als die Bowlingkugel. Wir wissen leider nicht genau, wie ein Elektron aussieht. Eventuell weißt du es auch schon, können wir seinen Anfangsort und seine Anfangsgeschwindigkeit wie bei der Bowlingkugel prinzipiell auch nicht gleichzeitig wissen. Mehr dazu in dem Video über die Heisenbergsche Unschärferelation. Aus diesen Gründen zeichne ich das Elektron als eine blaue Wolke. Diese Wolke symbolisiert, wo wir das Elektron möglicherweise finden könnten, wenn wir hinschauen würden. Diese Wolke sperren wir nun ein. Jetzt ändert diese Wolke ihre Form. Und zwar wird sie größer und verteilt sich schnell in der Kiste. Und dazu noch bildet sich, wie ihr seht, ein einigermaßen regelmäßiges Muster aus. Und wenn wir das Elektron jetzt fragen, wo es ist, und das Experiment ganz oft wiederholen, dann finden wir das Elektron nach der gleichen Zeit jedes Mal an einer anderen Stelle. Das ist nun erstmal ein schwerer Schlag für die Physik. Haben wir versagt? Können wir nun überhaupt nichts mehr vorhersagen? Die Antwort lautet: „Oh doch, wir können. Und zwar eine ganze Menge.“ Wir können nämlich mit Hilfe der mathematischen Formulierung der Quantenmechanik genau ausrechnen, mit welcher Wahrscheinlichkeit wir das Elektron an den verschiedenen Orten finden. Die Wolke in der Kiste, die das Elektron beschreibt, ist ja auch so gezeichnet, dass an den Orten, an denen das Elektron mit einer höheren Wahrscheinlichkeit zu finden ist, dichter aussieht. Das, was hier gezeichnet ist, ist nur ein Beispiel. Die genaue Form der Aufenthaltswahrscheinlichkeit hängt nämlich von der kinetischen Energie des Elektrons ab. Was ist nun der wesentliche Unterschied zwischen Quantenobjekten und klassischen Objekten? Bei Quantenobjekten ist die Wahrscheinlichkeit der verschiedenen Messergebnisse das, was determiniert ist. Und bei klassischen Objekten das Messergebnis selbst. Und das Schöne ist, diese Wahrscheinlichkeiten lassen sich in vielen Fällen genau ausrechnen. Diese Tatsache, dass wir nur noch Wahrscheinlichkeiten vorhersagen können, hat den berühmten Albert Einstein bis in seinen Tod hinein in seinen schlimmsten Träumen verfolgt. Was ihn nicht zuletzt zu der Aussage verleitet hat: „Gott würfelt nicht.“ Er wollte damit zum Ausdruck bringen, dass die Quantenmechanik unvollständig ist und wir einfach noch zu doof sind, um die Messergebnisse selbst vorhersagen zu können. Leider sieht es so aus, als ob er sich getäuscht hat. Bis jetzt gab es kein einziges Experiment, welches die Quantenmechanik widerlegen konnte. Und wir können die Quantenmechanik getrost als die bestüberprüfte Theorie der Welt bezeichnen. Natürlich ist das noch keine Garantie für ihre Richtigkeit. Die Tatsache, dass sich die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron zu messen, wie eine Welle verhält, aber das Elektron selbst als ein einzelnes Teilchen durch einen einzelnen Klick in einem Detektor nachgewiesen wird, ist ein gutes Beispiel für den sogenannten Welle-Teilchen-Dualismus der Quantenmechanik. Ich möchte noch einmal betonen: Was wirklich vor der Messung passiert, wissen wir nicht. Bevor wir in die Kiste schauen, wissen wir nicht einmal, ob das Elektron als einzelnes punktförmiges Teilchen überhaupt existiert. Aber was wir wissen, ist, dass es die Möglichkeit gibt, ein Elektron zu messen. Und diese Möglichkeit wird mathematisch durch eine Welle beschrieben. Abschließend möchte ich nochmal fragen: Was ist denn nun ein Quantenobjekt? Diese Frage haben wir immer noch nicht befriedigend beantwortet. Die Antwort lautet ganz ehrlich: Wir haben nicht den leisesten Schimmer. Wir wissen nicht, was ein Quantenobjekt genau ist. Es ist etwas unbekanntes, was unser beschränktes Vorstellungsvermögen übersteigt und welches weder Welle ist noch Teilchen, aber Welle- und Teilcheneigenschaften hat. Das Ganze kann ich euch anhand einer Metapher verständlicher machen. Stellt euch vor, ihr seid Wesen, die nur zwei Dimensionen verstehen. Und jetzt trefft ihr auf ein Objekt, welches drei Dimensionen hat, zum Beispiel ein Zylinder. Neugierig, wie ihr den Zylinder von der Seite an. Und da ihr nur zwei Dimensionen begreift, sieht ein Zylinder von der Seite aus wie ein Rechteck. Anschließend betrachtet ihr den Zylinder von oben und erkennt, das ist doch kein Rechteck, sondern ein Kreis. Dann kratzt ihr euch erstmal am Kopf. Wie kann denn das sein? Nichts kann doch Rechteck und Kreis gleichzeitig sein. Dann kommt ihr euch erstmal reichlich dumm vor. Genauso geht es uns mit den Quantenobjekten. Sie sind eben keine Wellen und keine Teilchen, so wie der Zylinder kein Kreis und kein Rechteck ist. Quantenobjekte haben aber Welle- und Teilcheneigenschaften, wenn wir sie auf bestimmte Art und Weise betrachten. Genau wie der Zylinder aus einer bestimmten Perspektive aussieht wie ein Kreis oder ein Rechteck. Dieses Beispiel bringt es auf den Punkt. Und ich hoffe, ich konnte euch ein wenig für die Mysterien der Quantenphysik begeistern. Und kann euch versichern: Das war erst der Anfang. Abschließend eine kurze Zusammenfassung, was ihr auf jeden Fall aus diesem Video mitnehmen solltet: Für Quantenobjekte gilt unter anderem: Die Wahrscheinlichkeit für Messergebnisse, aber nicht das Messergebnis selbst, sind vorhersagbar. Ein Quantenobjekt ist weder Welle noch Teilchen, weist aber beide Eigenschaften auf. Und im Grunde haben wir keine Ahnung, was ein Quantenobjekt genau ist. Und damit sage ich: Auf Wiederhören und Tschau.