Was ist der Unterschied zwischen Atomen und Quanten?
2 Antworten
Unter Quanten versteht man physikalische Objekte, die sich mit Hilfe der Quantenphyik genauer beschreiben lassen als mit Hilfe klassischer Physik. Ihre Größe allein ist da nicht ausschlaggebend (obgleich sie i.A. natürlich wirklich klein sind).
Ob also etwas als Quant eingeordnet wird oder nicht, hängt auch davon ab, wie fortgeschritten die Quantenphysik schon ist — und vor allen, wie genau man schon messen kann.
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Bekanntestes Beispiel von Quanten sind Photonen: Besonders klein zu sein bedeutet bei ihnen, besonders wenig Energie darzustellen. Dennoch können sie — jetzt örtlich gesehen — sehr große Ausdehnung haben: extrem große sogar, denn sie breiten sich um die Stelle ihres Entstehens herum aus als Kugelwellen, deren Radius sich mit Lichtgeschwindigkeit vergrößert.
Die größten Materieteilchen, für die man bis etwa 2018 — gegeben die bis dahin mögliche Messgenauigkeit — anhand des Doppelspaltexperiments Interferenz hinterm Doppelspalt beobachten konnte, waren Fullerenmoleküle (es sind dies Moleküle, deren jedes aus 60 Kohlenstoffatomen besteht).
In 2019 hat man diesen Rekord gebrochen durch ein Experiment, in dem man sogar noch für Materiestückchen, die jeweils bis zu 2000 Atome enthielten, Interferenz hinterm Doppelspalt hat nachweisen können ( https://phys.org/news/2019-09-atoms-quantum-superposition.html ).
Note: Da die de-Broglie-Welle eines Materistückchens eine mehr oder weniger stehende Welle darstellt, ist sie Summe zahlreicher harmonischer Wellen unterschiedlicher Wellenlänge, hat selbst also (mathematisch genau betrachtet) gar keine eindeutige Wellenlänge. Was Physiker die Wellenlänge der de-Broglie-Welle nennen ist — per Konvention — die Wellenlänge des dominanten Terms der Fourier-Entwicklung der Materiewelle. Da diese Wellenlänge nun aber mit zunehmender Masse der betrachteten Teilchen immer kürzer wird, wird es auch immer schwieriger, Interferenz hinterm Doppelspalt noch als solche nachzuweisen.
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Die de-Broglie-Welle ist eine Wahrscheinlichkeitswelle: Sie beschreibt für jeden Punkt des Schirmes hinterm Doppelspalt die Wahrscheinlichkeit, dort Interaktion des als Welle (= Feldanregung) durch den Doppelspalt gekommenen Quants mit dem Schirm zu beobachten.
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Allgemeiner: Quanten haben kein Zuhause
Sei Q irgendein gegebenes Quant, z.B. ein Elektron. Dann gilt:
- Es lässt sich Q kein Ort zuordnen, an dem es sich befindet. Es gibt lediglich für jeden Ort X im Raum und jeden Zeitpunkt Z eine gewisse Wahrscheinlichkeit w(X,Z,Q) dafür, dass Q zum Zeitpunkt Z an Ort X im Rahmen einer quantenphysikalischen Messung "angetroffen wird", d.h. Energie, Spin, Impuls, Drehimpuls, etc. abgibt oder aufnimmt.
- Solche Wahrscheinlichkeiten sind berechenbar mit Hilfe der Schrödingergleichung.
Ein Atom (bzw die Atome, es gibt unterschiedliche) ist praktisch ein Baustein, aus dem Moleküle aufgebaut sind. Quanten sind praktisch alles. Ein Quant heißt nur, dass seine Energie diskret, also nur in Portionen, abgegeben bzw aufgenommen werden kann
Alles sind eigentlich Quanten, wenn man es quantenphysikalisch beschreibt.
PS: Ich frage mich manchmal, ob der Physiker Wunsch, auch Raum, Zeit und Raumzeit als quantisiert zu erkennen, nicht ein bisschen daneben ist, denn:
Es mag ja durchaus sein, dass man Raumzeit-Modelle findet, welche die Raumzeit als quantisiert sehen (Carlo Rovellis Schleifen-Quanten-Gravitation ist so ein Modell). Es bleibt aber dennoch die Frage, ob Raum und Zeit tatsächlich auch in Wirklichkeit quantifiziert sind.
Beispiel: Die Form differenzierter Mannigfaltigkeiten ist NICHT quantifiziert (wie sich aus Stetigkeitsgründen im Sinne der Mathematik ergibt). Jede Störungs-rechnung aber führt – auch in mathematischer Hinsicht – zu Quantifizierung, da man die eigentliche Rechnung ja notgedrungen nur in in Tangentenräumen durchführt und die Punkte, in denen diese Räume die differenzierebare Mannigfaltigkeit berühren, diskret liegen und zudem noch willkürlich wählbar sind
In erster Linie geht es darum, ART und quantenmechanik zu einen Modell zu verieigen, sodass man Voraussagen treffen kann. Dabei ist die "Wirklichkeit" vernachlässigbar, also die wirkliche Interpretation. Der Knackpunkt liegt darin: Ein Teilchen, besitzt keinen Festen Ort, somit seine Masse auch nicht, aber wie wirkt sich dann diese Masse auf die Raumzeit aus, die doch nach bisherigen Theorien nicht quantisiert ist?
Der Witz ist halt, dass Einstein statt aller 4 Grundkräfte der Physik nur eine (Gravitation) berücksichtigt. Damit werden natürlich die Aussagen seines Modells überall dort zu ungenau, wo eine oder alle der von ihm ignorierten Kräfte dominanter sind als Gravitation.
Dass man Einsteins Modell der Raumzeit etwas aussagekräftiger gestalten kann, hat schon Cartan entdeckt. Lies dazu meinen Kommentar https://www.gutefrage.net/frage/referat-ueber-urknall#comment-342393700 über von Einstein ignorierte Torsionskräfte und https://en.wikipedia.org/wiki/Einstein%E2%80%93Cartan_theory .
Danke viel viel mals, hat wirklich geholfen!