Physik

Quantenphysik – Was ist das? Eine Definition

Die Quantenphysik umfasst alle Bereiche der Physik, in denen die Anwendung der Gesetze der Quantenmechanik zum Verständnis der untersuchten Phänomene erforderlich ist. Die Quantenmechanik ist die grundlegende Theorie der Materieteilchen, aus denen die Objekte des Universums bestehen, und der Kraftfelder, die diese Objekte beleben.

Vom Atom bis zu den Sternen: Überall ist Quantenphysik

eine definition von quantenphysik 300x169 - Quantenphysik - Was ist das? Eine DefinitionZwischen der Welt des unendlich Kleinen (Elementarteilchen) und der des unendlich Großen (Urknall und Quantenkosmologie) wird die Quantenphysik in allen Bereichen der Atom-, Molekular- und natürlich Kernphysik eingesetzt. Dazu gehören zum Beispiel die Quantenchemie, die Quantenoptik und die Physik der kondensierten Materie.

Die Gesetze der Quantenmechanik erklären beispielsweise, warum Atome und Moleküle stabil sind, Licht ausstrahlen und absorbieren können, sich aber auch in chemischen Reaktionen verbinden. Sie erklären so überraschende Phänomene wie die Supraleitung und die Suprafluidität von Helium. Ein Supraleiter leitet, wenn er auf eine bestimmte Temperatur gekühlt wurde, Strom komplett ohne Widerstand weiter. Eine Suprafluidität oder Supraflüssigkeit ist der Zustand einer Flüssigkeit, in der sie keine innere Reibung mehr hat.

Die Quantenmechanik erklärt auch weniger exotische Phänomene wie den Ferromagnetismus von Magneten, die elektrische Leitfähigkeit von Metallen oder die Existenz von Isolatoren. Ein ganzer Zoo neuer Quantenanregungen, die sogenannten Quasiteilchen, wird gelegentlich in die Festkörperphysik eingeführt. Die bekanntesten sind Phononen, Magnonen und Exzitonen.

Die Quantenmechanik erklärt auch, warum und wie die Sonne mit den Synthesereaktionen von Helium und Deuterium leuchtet. Es ermöglicht uns, die Existenz von Neutronensternen und Weißen Zwergen, also sehr heiße und leuchtschwache Sterne, zu verstehen. Mit ihr können wir auch die Zusammensetzung von Sternen in Galaxien und die Struktur der Milchstraße verstehen.

Ein Rahmen physikalischer Gesetze vom unendlich Kleinen zum unendlich Großen

Die Quantenmechanik kann mit den Lehren der speziellen Relativitätstheorie verbunden werden. Diese Theorie beschäftigt sich mit der Gravitation und der Struktur von Raum und Zeit. Auf diese Weise war es möglich, das Standardmodell der Elementarteilchen aus der sogenannten Quantenfeldtheorie zu konstruieren.

Es wird der Versuch unternommen, die Gesetze der Quantenmechanik auch mit der allgemeinen Relativitätstheorie zu vereinen. Die Theorie der Quantengravitation befindet sich noch im Aufbau, aber die beiden vielversprechendsten Ansätze sind die Superstringtheorie und die Schleifentheorie der Quantengravitation. Sie ermöglichen die Quantenkosmologie, die sich ebenfalls noch in der Entwicklung befindet. Im Gegensatz zum Standardmodell, das durch Experimente wie die Entdeckung der W-Bosonen und des Brout-Englert-Higgs-Bosons solide bestätigt wurde, gibt es derzeit keine Beweise, die die Theorien der Quantengravitation unterstützen.

Die Theorie der Quantenphysik ist hochgradig mathematisch und sorgfältig aufgebaut. In der Tat gibt es ein breites Spektrum physikalischer Interpretationen der Quantenmechanik, die über die orthodoxe Kopenhagener Interpretation hinausgehen. Die Quantenmechanik liefert eine erstaunliche und nicht sehr intuitive Beschreibung von Teilchen, z. B. Elektronen oder Photonen, die in gewisser Weise auch Wellen sind. Sie befinden sich gleichzeitig an zwei Orten oder können Hindernisse durchqueren, die wir für unpassierbar halten (Tunneleffekt).

Das Herzstück der Quantenphysik sind die geheimnisvollen Wahrscheinlichkeitsamplituden für alle physikalischen Prozesse. Die Werte der physikalischen Größen werden dann bei einer Messung durch Wahrscheinlichkeitsgesetze bestimmt. Die Wahrscheinlichkeitsamplituden weisen Interferenzen, Beugung und andere Phänomene auf. Diese ähneln stehenden Wellen auf schwingenden Saiten oder in Resonanzräumen. Sie führen zur Quantifizierung der Energie in vielen physikalischen Systemen, angefangen bei den Atomen und dem elektromagnetischen Feld. Sie schränken die Interpretation von Phänomenen ein, die Wellen oder klassische Teilchen betreffen. Die Heisenbergschen Ungleichungen erlauben es beispielsweise nicht, einem Elektron gleichzeitig eine Geschwindigkeit und eine Position zuzuweisen.

Quantenphysik und Technologie

Die Quantenphysik ist auch das Herzstück der modernen Technologie, da die Funktionsweise von Lasern, Masern, CCDs und den elektronischen Komponenten unserer Lesegeräte und Computer auf ihren Gesetzen beruht. Außerdem gibt es den Bereich der MRT- und NMR-basierten Techniken sowie der Elektronenmikroskopie. In einigen Jahrzehnten werden die kontrollierten Fusionsreaktoren, die die Nachfolge von Iter antreten könnten, supraleitende Magnete wie Iter verwenden. Möglicherweise steht mit den jungen Disziplinen der Quanteninformation und den mythischen Quantencomputern auch eine große technologische Revolution bevor. Es gibt sogar Spekulationen darüber, welche Rolle die Quantenmechanik in der Biologie und den Neurowissenschaften spielen könnte.

Die Quantenphysik ist kein abgeschlossenes Gebiet: Sie enthält Paradoxa, die noch nicht vollständig verstanden sind, wie die Schrödinger-Katze und den EPR-Effekt, obwohl seit Anfang der 1980er Jahre große Fortschritte bei deren Verständnis erzielt wurden.

Urhebender Autor: Redaktion Futura

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