Frage von Kuerbiskopf2, 101

Was sind makroskopische Objekte?

Ich befasse mich grade mit Quantenphysik und bin dabei auf den Begriff makroskopische Objekte gestoßen. Leider hab ich keine richtige Erklärung gefunden was es bedeutet

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 40

Wenn der Physiker, genauer gesagt, der Quantenphysiker, von makroskopischen Objekten spricht, dann meint er damit, dass es sich um Objekte handelt, die sich klassisch beschreiben lassen.

Nicht damit gemeint ist hingegen, solcherlei Objekte ließen sich nicht mit der Quantenmechanik beschreiben.

Die Vorstellung, die Quantenphysik sei eine Art »Nischenphysik« des ganz ganz kleinen, die in der Makrowelt nichts zu vermelden habe, ist nämlich ein von vornherein komplett falsches Paradigma, ähnlich dem, wenn jemand behauptete, eine Geschwindigkeit sei zu gering, als dass sie sich mit der Speziellen Relativitätstheorie beschreiben ließe, oder eine Schwerkraft sei noch zu schwach, um sich mit der Allgemeinen Relativitätstheorie beschreiben zu lassen. Die Relativitätstheorie gilt immer, es ist lediglich im Grenzfall verhältnismäßig kleiner Geschwindigkeiten und Potentialdifferenzen noch möglich, deren Effekte zu vernachlässigen.

And so is Quantum Mechanics.

Ich möchte an dieser Stelle sinngemäß Professor Schulz von der Universität Hannover aus einer Vorlesung (bzw. seinem Lehrbuch »Physik mit Bleistift«) zitieren: »Jenes schwere „klassische Teilchen“, mit welchem manche Quantiker so gern argumentieren, das gibt es nicht, selbst wenn es der einfach-ionisierte Mond wäre!«

Warum verhält sich Licht nicht Rayleigh-Jeans'sch, UV-Katastrophe eingeschlossen, sondern Plansk'sch, wie man es schon an der temperaturabhängigen Glutfarbe, von glühenden Drähten in einem handelsüblichen Toaster bis hin zur Schweißerflamme, sehen kann? Quantenmechanik! Warum gibt es chemische Elemente mit so verschiedenen Eigenschaften? Warum zieht sich ein Weißer Zwerg nicht weiter zusammen, wenn er abkühlt? Pauli-Prinzip, reinste Quantenmechanik!

Es gibt keine neoaristotelische Teilung zwischen verschiedenen »Physiken« für verschiedene »Teilchengrößen«, es gibt die Physik. Klassisches Verhalten ist als eine im Grenzfall großer Quantenzahlen geltende Näherung zu interpretieren.

Kommentar von indiachinacook ,

Bei der Relativitätstheorie hast Du recht, die klassische Mechanik ist einfach Einstein und v≪c.

Bei der Quantentheorie habe ich dajoch mehr Bauchschmerzen, und ich glaube, daß Du es Dir zu leicht machst. Eine ausführlichere Begründung gibt es als Kommentar an meiner eigenen  Antwort.

Kommentar von Astroknoedel2 ,

Du könntest theoretisch der Erde auch eine deBroglie-Wellenlänge und Wellenfunktion zuordnen. Aber wie SlowPhil schon sagte, es ergibt keinen Sinn. Die Quantenmechanik gilt aber trotzdem.

Kommentar von SlowPhil ,

Natürlich kannst Du ein klassisch beschreibbares, also makroskopisches Objekt, nicht wie ein Quantenteilchen beschreiben, das steht außer Frage.

Allerdings bleibe ich, nein, bleibt es, dabei, dass es nicht zwei verschiedene »Physiken« gibt. Dass Sterne mit 3000K Photosphärentemperatur rot und nicht etwa nur schwächer als heißere Sterne ebenfalls violett glühen, ist bereits ein Quanteneffekt. Dass es die Chemie überhaupt gibt, ist ebenfalls einer. Auch Weiße Zwerge und Neutronensterne werden nur durch das Pauli-Prinzip stabilisiert, und das ist so quantisch wie nur was.

Übrigens gilt das auch dafür, dass es einen Unterschied macht, ob man Teilchen verschiedener Art oder gleicher Art vermischt, das sog. Gibbs'sche Paradoxon. Es lässt sich nur dadurch auflösen, dass gleichartige Teilchen tatsächlich ununterscheidbar sind, als sei es praktisch dasselbe in mehrfacher Ausführung.

Kommentar von Astroknoedel2 ,

Das habe ich doch auch nicht gemeint -.-

Kommentar von indiachinacook ,

Unstrittig gibt es nicht zwei Physiken, die Objekte wissen immer, was sie zu tun haben, und das ohne, daß man ihnen sagt, ob sie makro- oder mikro­skopisch sind.

Aber es gibt zwei Theorien: Die QM und die KM. Und die Physiker müssen wissen, was sie wie zu rechnen haben: Makro­skopi­sche Systeme mit der KM, mikro­skopi­sche Systeme mit der QM. Anders­rum geht es schief, und zwar in beide Richtungen.

In der Relativitätstheorie ist das nicht so (ich kann die Fort­bewe­gung einer Schnecke im Minkowski-Raum rechnen, wenn ich un­bedingt will, und krieg dadurch keine Paradoxa rein). Aber in der QM schon, und das ist komisch.

Kommentar von Astroknoedel2 ,

Haha, die Fortbewegung der Schnecke im Minkowski-Raum ;D.  Schnecke dreht sich um, das heißt: Lorentz-Boost !

Kommentar von SlowPhil ,

Ich glaube - und das meine ich tatsächlich nicht im Sinne von »vermute«, sondern lat. credo, dass es zumindest keine echten Widersprüche gibt.

Wenn die Quantenmechanik noch keine konsistente Beschreibung des Messprozesses (im Zweifelsfall durch permanente Wechselwirkungen) hat, muss eine her, und die - wenn sie denn konsistent ist - wird dafür sorgen, dass sich die Paradoxa alle in Wohlgefallen auflösen werden und es möglich wird, im Grenzfall großer Quantenzahlen aus der Quantenmechanik die klassische Mechanik herauszubekommen (nur dann übrigens ist die Beschreibung konsistent), und wenn es auf die Einigen verhasste Viele-Welten-Theorie hinauslaufen sollte.

Dass sich klassisches Verhalten auch in Quantensystemen zeigt und Wahrscheinlichkeitsverteilungen bei großen Quantenzahlen klassisch werden, kann man hervorragend am harmonischen Oszillator sehen, und zwar einerseits an den kohärenten Zuständen und andererseits im <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Harmonischer\_Oszillator\_(Quantenmechanik)#Klassischer_Grenzfall">klassischen Grenzfall</a>.

Auch Rydberg-Atome können ein Beispiel sein.

Antwort
von indiachinacook, 50

Das ist nicht immer ganz klar, aber gewöhnlich meint man damit etwas, was deutlich größer ist als ein Molekül. Was so groß ist wie eine Zelle, gilt in der Regel bereits als makroskopisch (obwohl man es nur mit dem Mikroskop sehen kann

Dabei will man darauf hinauf, daß die Regeln der Quantenphysik eben gewöhn­lich für kleine und die der klassischen Physik gewöhnlich für große Objekte gelten. Ge­legent­lich erlebt man allerdings blöde Über­raschun­gen, z.B. in einem Supraleiter oder bei anderen „makro­skopi­schen Quanten­effekten“.

Kommentar von SlowPhil ,

Dabei will man darauf hinauf, daß die Regeln der Quantenphysik eben gewöhn­lich für kleine und die der klassischen Physik gewöhnlich für große Objekte gelten.

Das klingt arg nach einer Teilung frei nach Aristoteles, der auch meinte, dass ewige Kreisbewegungen nun einmal die natürliche Bewegung für himmlische, das Fallen auf den Boden oder aber, wenn etwas »von Natur aus leicht« sei wie Feuer, Aufsteigen zum Himmel sei eben die natürliche Bewegung irdischer Objekte.

Derlei Dichotonien haben Galilei und Newton überwunden, und Einstein hat nicht etwa diese beiden vom Sockel gestoßen, sondern ihren Weg konsequent fortgesetzt.

Nein, klassisches Verhalten ist das, was man im Grenzfall großer Quantenzahlen ansetzen kann. Es stellt eine starke Vereinfachung dar, große Quantensysteme als klassische Körper behandeln zu können.

Kommentar von indiachinacook ,

Die Dichotomie ist häßlich, aber ich bin mir nicht sicher, ob man sie so leicht überwinden kann. Denn die Aussage Klassische Physik ist ein Spezial­fall der Quanten­physik ist nun wirklich nicht offen­sicht­lich wahr. Ich vermute sogar, daß sie falsch ist.

Zunächst mal: Einfach die Quantenzahlen groß zu machen hilft nicht. Nehmen wir einfach den harmonischen Oszillator: Alle QM Eigenzustände sind stationär, auch solche bei v→∞. Der klassische Zustand tut aber genau das, was man dem Namen nach erwarten muß: Er oszilliert, also ist der Erwartungswert für die Koordinate explizit zeitabhängig. Ein QM Eigenzustand kann das per Definition nicht.

(Kohärente Zustände zeigen das richtige Grenzwertverhalten zum klassischen Limit — aber sie lösen die Schrödingergleichung nicht)

Zweitens und noch fundamentaler: Daß Meßproblem macht es ziem­lich unmöglich, die Klassi­sche Mechanik aus der QM ab­zulei­ten. Denn eine Messung (die einen Zustand auf das Spektrum des Meßoperators projiziert) ist definitionsgemäß die Wechsel­wirkung eines QM Systems mit einem klassischen System. Sonst führt ja kein Weg aus dem infiniten Regreß, daß bei Wechsel­wirkun­gen zwischen QM-Systemen immer Verschränkungen entstehen.

Ich brauche also klassi­sche Physik, um Quanten­systeme messen zu können, und das steht bereits in den Axiomen der QM drin. Wie klassische Systeme gleichzeitig nur Quanten­systeme mit hohen Quanten­zahlen sein können, muß mir mal jemand wider­spruchs­frei erklären können.

Wirklich voll durchblicken tue ich bei dieser Problematik auch nicht, aber ich glaube, daß Du es Dir dabei zu einfach machst.

Kommentar von SlowPhil ,

Ich denke, zu leicht macht man es sich eher dann, wenn man sich die Probleme mit den Messprozessen vom Halse schafft, indem man einfach die Dichotomie einsetzt und behautet, es gälten hier einfach andere Gesetze.

Das Konzept ist GOTT SEI DANK schon einmal gescheitert, nämlich als Bohr einfach die Verletzung des Impulssatzes für die kleinsten Teilchen zu akzeptieren war und Wolfgang Pauli stattdessen daran festhielt und lieber ein schwer nachweisbares Teilchen postulierte: Das Neutrino. Es wurde später tatsächlich nachgewiesen und machte die Physik wieder ein Stück konsistenter. Warum sage ich »Gott sei Dank«? Das kann ich sagen: ICH HASSE DICHOTOMIEN!

Wie übrigens alles, das irgendwie nach Willkür riecht, als sei der liebe Gott ein Diktator, der nach Lust und Laune für dieses diese, für jenes jene Gesetze erlasse respektive erlassen habe.

Man mag so eine emotionale Reaktion von mir nicht erwartet haben, aber Rationalismus schließt Emotion nicht aus.

Kommentar von indiachinacook ,

Das Argument im ersten Absatz finde ich cool. Aber es haben ja schon viele probiert, etwas Besseres als Kopenhagen zu machen. Und alle diese Inter­pretatio­nen wirken irgendwie ein bißchen schräg, so einfach scheint es also nicht zu sein.

Ad-hoc-Postulate haben verdientermaßen einen schlechten Ruf. Aber dieses steht schon seit einem Jahrhundert, und um es weg­zubekom­men, müßte man die folgende Challenge lösen: In der QM verwenden wir stationäre Zustände (und müssen es, sonst könnten wir Atomspektren nicht erklären). In der KM arbeiten wir mit zeit­abhän­gi­gen Koordinaten (denn genauso nehmen wir die Welt un­mittel­bar wahr). Finden Sie einen sauberen Über­­gang zwischen beiden.

Expertenantwort
von Hamburger02, Community-Experte für Physik, 33

makroskopisch bedeutet, groß genug, um es mit bloßem Auge zu sehen.

Kommentar von ThomasJNewton ,

Nicht wirklich, bei allem Lokalpatriotismus.

Kommentar von Hamburger02 ,

Das ist die allgemeine Defintion laut Duden.

In der Physik bzw. der Thermodynamik ist makroskopisch dann, wenn das Gesetz der großén Zahl nach Boltzmann gilt und das gilt ab einer Stoffmenge von 1 mol. 1 mol Stoffmenge kann man im Allgemeinen mit bloßem Auge auch sehen.

Antwort
von PeterKremsner, 54

Dazu gibt es keine eindeutige Grenze.

Makroskopische Objekte sind eben Objekte die so groß sind dass, sie sich nicht mit der Quantenphysik beschreiben lassen, zB Steine, Menschen, Häuser, Planeten....

Eine wirklich definierte Grenze gibt es aber wie gesagt nicht, es wurden schon quantenmechanische Beobachtungen (zB Doppelspaltexperiment) bei C60 Molekülen und angeblich auch schon bei kleinen Bakterien gemacht.

Kommentar von Astroknoedel2 ,

Streiche die letzten Worte deiner Antwort weg und sie wird fast richtig.

Kommentar von SlowPhil ,

Nein, ersetze vielmehr

…die so groß sind dass, sie sich nicht mit der Quantenphysik beschreiben lassen,…

durch

…die so groß sind dass, sie sich klassisch beschreiben lassen,…

so wird ein Schuh draus.

Kommentar von PeterKremsner ,

Naja ich erkenne da gerade nicht wirklich den Fehler, Makroskopische Objekte werden mit der Klassischen Physik beschrieben, aber die Quantenmechanik gilt bei diesen ebenfalls nicht mehr.

Ich hab noch nie einen Zug gesehen welcher mittels Tunneleffekt durch ein Haus durchfahren kann....

Kommentar von PeterKremsner ,

Ok hab mir gerade deine Antwort durchgelesen und gebe dir recht, ich denke aber dass eine Ergänzung meiner Antwort dahingehend genügen würde wenn ich schreiben würde, dass es dabei immer auf den Größenunterschied der "Messanlage" und des Objektes ankommt.

So wird man zB keine Anlage bauen können, in der ein Erdgroßes Objekt sich wie eine Welle verhält (Doppelspalt Experiment).

Wobei Messanlage hier nicht unbedingt im Messtechnischen Sinne gemeint ist (können auch Atome in einem Gitter sein etc), mir fällt nur gerade kein besseres Wort ein ;)

Dennoch würde ich sagen, dass die Quantenmechanik auf makroskopische Objekte (in oben genannter Relation) nicht anwendbar ist.

Kommentar von PeterKremsner ,

Meinst du das mit den Bakterien?

Das hab ich mal von einem Phyisk-Professor auf der Uni gehört dass es hierzu bereits versuche gegeben hat, welche auch geglückt sein sollen.

Bei dem Gespräch ging es ebenfalls um die Bedeutung von Makroskopisch im Zusammenhang mit der Quantenmechanik.

Kommentar von ThomasJNewton ,

Viel Glück (Brot und Salz) in deinem C-60-Haus aus C-Atom-Ziegelsteinen und Elektronenmörtel.

"Angeblich" reicht nicht.

Kommentar von PeterKremsner ,

Ja das angeblich war deswegen weil es schon lange her ist, die Geschichte habe ich aber von einem Professor auf der Uni gehört.

Das die Quantenphysik bei den C60 Atomen gilt weis ich sicher, denn da wurde eben meines Wissens das Doppelspaltexperiment erfolgreich durchgeführt. 

Was darauf hindeutet, dass diese Teilchen zumindest dem Welle-Teilchen Dualismus unterliegen. (Welle Teilchen Dualismus ist zwar schon etwas "outdated", aber für einfache Beschreibungen reicht der vollkommen.

Kommentar von ThomasJNewton ,

Jedes Objekt, ob groß oder klein, kann sich ja nur so lange als Welle verhalten, bis es "gemessen" wird.
Und Messung ist da jede Interaktion mit irgendetwas anderem.

Und je größer das Objekt, desto größer die Chance, dass es mal ein IR-Quant absondert o.ä.

Von daher ist es wohl u.a. eine technische Frage, was sich noch als mikroskopisch auffassen lasst. Oder sich so verhält.
Kühlung ist da m.W. das wichtigste.

Kommentar von PeterKremsner ,

Ja das stimmt natürlich, wie oben schon erwähnt kommt es auf die Umgebung und auf die Objektgröße, Impuls etc. drauf an ob etwas als Makroskopisch oder als Mikroskopisch im Sinne der Quantenphysik aufgefasst wird.

Makroskopisch bedeutet aber in dem Zusammenhang Beschreibenung mit der klassischen Physik, bzw bei hohen Geschwindigkeiten mithilfe der Relativtätstheorie.

Kommentar von Astroknoedel2 ,

Die Relativitätstheorie beschäftigt sich nicht nur mit makroskopischen Objekten.

Kommentar von PeterKremsner ,

Das hab ich auch nicht behauptet...

Ich habe nur gesagt, dass man bei hohen Geschwindigkeiten bei Makroskopischen Objekten die Relativitätstheorie anwenden muss, das bedeutet aber nicht, das das nicht auch für Mikroskopische Objekte gilt.

Antwort
von Tybald89, 47

Makroskopisch ist das Gegenteil von mikroskopisch.

Die einen Dinge kannst du nur unter Zuhilfenahme technischer Geräte sehen, die anderen mit bloßem Auge.

Kommentar von Extrawissen ,

1, raus aus der Schule!

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