Einführung in die Quantenphysik

Allgemeines

Anfang 20. Jhd.: Zwei Theorien revolutionieren die Physik
Relativitätstheorie (A. Einstein) beschreibt Vorgänge und Struktur im Makrokosmos
Quantenphysik beschreibt Vorgänge des Mikrokosmos auf atomarer Ebene
im Laufe von Jahrzehnten entwickelt, u.a. von Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld, Werner Heisenberg, Max Born, Erwin Schrödinger, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Richard Feynman
Quantenphysik umfasst Sammlung von Theorien, mathematisch kompliziert und unanschaulich, experimentell außerordentlich genau verifiziert
Quantenmechanik: beschreibt Messvorgänge auf atomarer Ebene (Schrödingergleichung, Unschärfe...)
Quantenelektrodynamik: exakte Theorie des Elektromagnetismus, Wechselwirkung von Elektronen und Photonen, eine der am besten verifizierten Theorien überhaupt
Quantenchromodynamik: beschreibt starke Wechselwirkung, die Kraft die Atomkerne zusammenhält.
Quantengeometrodynamik: sollte allgemeine Relativitätstheorie als Quantentheorie beschreiben, ersetzt durch Stringtheorien
wesentliches Konzept der Quantenphysik: Abrücken von absoluten Aussagen
Vorgänge werden im Rahmen von Wahrscheinlichkeiten beschrieben
makroskopische Systeme (tägliches Leben): klassische Beschreibung ausreichend

wesentliche Eigenschaft der Natur: bei einem Teilchen (z.B. Elektron) niemals gleichzeitig zwei bestimmte Eigenschaften exakt bestimmbar
Messprozess selbst beeinflusst bereits das Ergebnis
Ort-Impuls-Unschärfe: Aufenthaltsort x und Impuls p (Masse*Geschwindigkeit) nicht gleichzeitig messbar:

Δx * Δp ≥ h/4π

Energie-Zeit-Unschärfe: Energie E und Zeit t (Lebensdauer) nicht gleichzeitig exakt messbar:

ΔE * Δt ≥ h/4π

zum ersten Mal von Thomas Young 1802 mit Licht durchgeführt
eines der wichtigsten Experimente überhaupt, zeigt Welle-Teilchen-Dualismus
Monochromatisches Licht oder Teilchen trifft auf Doppelspalt. Hinter dem Doppelspalt entsteht Streifenmuster (Interferenzstreifen), typisch für Überlagerung von Wellen
sogar mit einzelnen Photonen oder Elektronen durchführbar, jedes einzelne Elektron interferiert mit sich selbst
im Teilchenbild: das einzelne Elektron läuft gleichzeitig durch beide Spalte, Überlagerung zweier Zustände (Möglichkeiten), beide gleichermaßen erfüllt
versucht man experimentell zu messen/beobachten, durch welchen Spalt das Elektron geht, verschwindet das Interferenzmuster und das Elektron geht wirklich nur durch einen Spalt

berühmtestes Tierexperiment der Physik, Gedankenexperiment Erwin Schrödingers aus dem Jahre 1935.
geschlossener Kasten mit Katze und instabilem Atomkern, sein Zerfall löst Freisetzung von Giftgas aus, das die Katze tötet
Atomkern ist nach Halbwertszeit mit 50% Wahrscheinlichkeit zerfallen, also ist die Katze mit 50% Wahrscheinlichkeit tot und mit 50% Wahrscheinlichkeit lebendig...gleichzeitig !
Überlagerung zweier (makroskopischer) Zustände/Möglichkeiten...
macht man den Kasten auf und schaut rein, tritt eine der beiden Realitäten ein
nach wie vor unklar, inwieweit Gesetze der Quantenphysik einfach auf makroskopische Objekte übertragbar sind (Viel-Welten-Theorie)

ermöglicht, dass bei der Kernfusion ein Proton die abstoßende Coulombkraft des anderen Protons überwinden kann, ohne die dafür eigentlich notwendige Energie zu haben.
klassisch: Teilchen hat exakte Energie
Quantenphysik: Teilchen hat Wahrscheinlichkeitsverteilung der Energie
wahrscheinlichste Energie entspricht klassischem Wert
mit gewisser, wenn auch sehr kleiner, Wahrscheinlichkeit hat das Proton genug Energie um den Coulombwall zu überwinden (klassisch sieht es aus wie ein durchtunneln)
Wellenbild: Welle wird beim Auftreffen auf Wall abgeschwächt, ein geringer Teil dringt jedoch durch