Warum verstehe ich bei Dokus über Quantenphysik einfach nichts?
Ich versuch halt das zu verstehen, aber es geht einfach nicht. Ich bin dann nur verwirrt die ganze Zeit und frage mich, was hat das zu bedeuten?
Hier was von ChatGPT:
1. Grundlegendes Verständnis (konzeptionell):- Wellen-Teilchen-Dualismus: Teilchen wie Elektronen und Photonen verhalten sich manchmal wie Wellen und manchmal wie Teilchen.
- Quantisierung: Energie, Impuls und andere physikalische Größen treten in diskreten Paketen (Quanten) auf.
- Unschärferelation: Es gibt Grenzen, wie genau man gleichzeitig den Ort und den Impuls eines Teilchens bestimmen kann.
- Überlagerung und Verschränkung: Teilchen können sich in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden oder miteinander verbunden sein, selbst über große Distanzen.
- Das Verständnis von Quantenmechanik auf mathematischer Ebene erfordert Kenntnisse in linearen Algebra, Differentialgleichungen und Wahrscheinlichkeitsrechnung.
- Konzepte wie die Schrödinger-Gleichung, Eigenwerte und Eigenzustände sind zentral.
- Wenn du die Anwendungen der Quantenmechanik (z. B. in der Quantenchemie, Halbleiterphysik oder Quantencomputing) verstehen willst, brauchst du ein solides physikalisches und mathematisches Fundament.
~
Lässt sich Quantenphysik überhaupt irgendwo verstehen?
4 Antworten
Hallo AvdanPadavan,
die Physik ist nicht eine Lehre vom "Ding an sich", sondern von Zusammenhängen von Größen, die man messen kann. Natürlich kann Physik Alltagsphänomene erklären, aber auf einer fundamentalen Ebene¹) erklärt sie nicht, sondern beschreibt. Und zwar mathematisch.
Manchmal steht einem für das Verstehen eines Sachverhalts nicht Mangel an Auffassungsgabe im Wege, sondern im Gegenteil entwickelte Konzepte, die einem selbstverständlich scheinen.²)
Im Fall der Quantenmechanik ist das die Vorstellung von Teilchen als Korpuskeln (kleinste feste Körper), und von Wellen als einer fortschreitenden Schwingung, deren Amplitude kontinuierlich veränderlich ist. Es gibt weder das eine noch das andere wirklich.
Die Geschichte der Quantenmechanik beginnt im Jahr 1900 mit Licht.In den Jahrhunderten zuvor hatte es zwei konkurrierende Theorien dazu gegeben: Licht als schnell fliegende Korpuskeln und Licht als Wellen; seit Mitte des 19. Jahrhunderts ist bekannt, dass Licht aus elektromagnetischen Wellen besteht, die sich im materiefreien Raum mit c ≈ 3×10⁸ m⁄s ausbreiten. Und die Amplitude (in diesem Fall die maximale Feldstärke) sollte kontinuierlich veränderlich sein.
Diese Vorstellung ist allerdings nicht verträglich mit der Energieverteilung der von einem schwarzen³) Körper einer bestimmten Temperatur abgegebenen Strahlung.
PLANCK, der sich mit Schwarzkörperstrahlung beschäftigte, stellte die – aus seiner Sicht vorläufige – Vermutung auf, dass elektromagnetische Strahlung der Frequenz f nur in Quanta⁴) ("Portionen") einer Energie
(1) ε = h∙f
emittiert oder absorbiert werde, wobei h ≈ 6,6×10⁻³⁴ J∙s eine universelle Konstante ist und das 'h' für 'Hilfsgröße' steht.
Im Jahr 1905 griff EINSTEIN die Idee auf, um die Befunde um den Photoeffekt zu erklären; anders als PLANCK war er der Auffassung, dass elektromagnetische Strahlung tatsächlich aus diesen "Portionen" besteht, die wir heute als Photonen bezeichnen. Bewegen sich Photonen gleicher Energie in eine Richtung, die wir als x-Richtung eines Koordinatensystems definiert haben, so haben sie auch den Impuls
(2) pₓ = h⁄λ,
wobei λ die Wellenlänge ist, entlag der x-Richtung gemessen.
Damit sind die Teilchen zurück, aber nicht als feste, lokalisierte Korpuskeln, sondern eben als elementare Anregungen des (universellen) elektromagnetischen Feldes, quasi wie eine kleinstmögliche Schwingung einer Guitarrensaite. Wie diese sich über die ganze Saite erstreckt, erstreckt sich jedes Photon theoretisch über den ganzen Raum, wenn sein Impuls exakt bestimmt ist (und alle Photonen zusammen überlagern sich zu einer Welle, deren Energie ein ganzzahliges Vielfaches von hf ist).
Orts- und Impuls- UnschärferelationSpoiler alert: Das ist er nie. Reale Photonen (und Ströme aus vielen Photonen) treten als Wellenpakete auf, die sich als Überlagerung von Wellen unterschiedlicher Wellenlänge beschreiben lassen. Je breiter das Spektrum von Wellenlängen (und damit Impulsen) ist, aus denen sich das Paket zusammensetzt, desto konzentrierter und lokalisierter ist das Wellenpaket räumlich. Umgekehrt ist ein Wellenpaket, das sich aus ganz ähnlichen Wellenzügen zusammensetzt, räumlich ziemlich ausgedehnt.
MaterieteilchenIn den frühen 1920ern hatte DE BROGLIE die Idee, dass man Materieteilchen wie Elektronen Welleneigenschaften zuschreiben kann: Einer Energie ε entspräche eine Frequenz
(3.1) f = ε⁄h,
einem 1D- Impuls p eine Wellenlänge
(3.2) λ = h⁄p.
Das würde auch einen weiteren Befund erklären:
RUTHERFORD hatte 1911 herausgefunden, dass sich die positive Ladung eines Atoms in einem selbst im Vergleich zum Atom winzigen Atomkern konzentriert. Die Elektronen bewegen sich unter dessen elektrischer Anziehungskraft, was den Vergleich mit einem Planetensystem nahelegt (ein großer Unterschied liegt natürlich darin, dass die Elektronen einander abstoßen, und zwar wesentlich stärker, als Planeten einander anziehen).
Das Problem dabei ist, dass die Elektronen in diesem Fall eigentlich unter Abstrahlung elektromagnetischer Wellen in den Kern zu stürzen müssten. Als Lösung dieses Problems nahm 1913 BOHR an, dass nur ganz bestimmte Bahnen "erlaubt" seien; ein einzelnes Elektron in einem Wasserstoffatom bzw. einem "wasserstoffähnlichen Ion" (wo es nur ein Elektron gibt) könne sich nur auf Bahnen bewegen, auf denen sie eine Energie
(4) E = −E_R∙Z⁄n²
mit der sog. Hauptquantenzahl n = 1, 2, 3, ... und der Kernladungszahl Z = 1, 2, 3, ... sowie der RYDBERG- Energie E_R ≈ 13,6 eV bewegen. Nun kennt man von Planetenbahnen, dass es einen direkten Zusammenhang zwischen deren Ausdehnung und der spezifischen Energie sowie der Bahngeschwindigkeit, also dem spezifischen Impuls eines Planeten gibt.
Nach dem Wellenmodell ist also auch die mit dem Elektron assoziierte Wellenlänge mit der Ausdehnung und der Energie der Bahn verbunden, und es sind nur Bahnen möglich, deren Umfang gerade einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge entsprechen, sodass eine Stehende Welle entsteht.
-- Baustelle --
______________
¹) Das ist eine Ebene, auf der 'warum'- Fragen unbeantwortbar werden, zumindest derzeit. Ich verabscheue die "ignoramus et ignorabimus" ("wir wissen es nicht und werden es auch nie wissen")- Haltung als "un-menschlich" (Menschen sind wissbegierig, es sei denn, das wurde ihnen ausgetrieben) und anmaßend (woher will jemand mit dieser Haltung wissen, ob wir es erfahren werden oder nicht?) in Bezug auf einzelne 'warum'-Fragen, aber es wird wahrscheinlich immer (im Zweifelsfall neue) 'warum'- Fragen geben, die niemand beantworten kann.
²) Zum Beispiel war der altgriechischen Mathematik die Null als Zahl fremd, nicht, weil sie "zu doof" gewesen wären, sondern weil man nicht bis Null zählen kann – man müsste mit dem Zählen aufhören, ehe man überhaupt angefangen hat. Tatsächlich zweifelten einige auch daran, dass man die Eins eine Zahl bezeichnen kann. Sobald man anfängt zu zählen, hört man gleichzeitig wieder auf.
³) Mit "schwarz" ist gemeint, dass der Körper alle Strahlung, die ihn trifft, absorbiert. Nur was ein Körper absorbieren kann, kann er prinzipiell auch emittieren. wenn er also heiß genug ist. Erhitzt man mehrere Körper unterschiedlichen Absorptionsvermögens auf dieselbe Temperatur, z.B. 1000 K (ca.730 °C), leuchtet der schwarze Körper am hellsten, in diesem Fall rot.
⁴) Quanta = lat. Plural von Quantum ("wie viel").
Es kommt darauf an, was man unter "verstehen" versteht... Ein Problem ist, dass unsere Sprache für die Quantenmechanik versagt, Worte wie "Wellen" und "Teilchen" aus unserem Alltag sind nur ein Behelf.
Was aber möglich ist: man kann quantenmechanische Systeme wie ein Atom oder Moleküle exakt mathematisch beschreiben. Und die Lösungen (Eigenwerte von Operatoren, die jeweils Messgrössen entsprechen) stimmen -im Prinzip, eine analytische Lösung ist nur in den wenigsten Fällen möglich, und auch die numerischen Rechnungen werden schnell sehr komplex- wunderbar exakt mit den Experimenten überein.
«Ich denke, man kann mit Sicherheit sagen, dass niemand die Quantenmechanik versteht.» Diese Aussage stammt vom Nobelpreisträger Richard Feynman, einem der ganz Grossen der modernen Physik.
Quelle:
https://www.srf.ch/wissen/natur-tiere/natur-tiere-verstehen-sie-die-quantenphysik-herr-professor
Ich weiß, was Du meinst. Aber ich würde es nicht pessimistisch, sondern eher schelmisch sehen: „Du glaubst, Du hast es verstanden? Dann guck mal hier…“ Ich sehr das Zitat keinesfalls apodiktisch, sondern als Herausforderung und der Erkenntnis, dass wir erst am Anfang sind.
Mag sein. Sein Statement 'halt die Klappe und rechne' lässt das Zitat allerdings doch ernst gemeint erscheinen. Und dazu kommt noch die Sache mit dem inzwischen mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Clauser ...
Wenn du Physik als Themenwelt auswählst und die Themen auswählst, die ich hier ja sehen kann, dann wirst du wohl keine hilfreiche Antwort erhalten, denn dazu wäre wahrscheinlich die Pädagogik geeigneter, selbst die Philosophie kann bessere Antworten liefern, weil die Quantenphysik keine logischen Zusammenhänge erklärt, sondern maximal mathematische Lösungswege liefert, mit denen man die Thematik der einzelnen quantenphysikalischen Probleme berechnen kann.
Die Quantentheorie löst nicht die Frage nach dem WARUM, sondern liefert maximal die Möglichkeit, die Konsequenzen berechenbar zu machen.
Daher musst du alles auswendig lernen und kannst nicht so einfach einen redundanten Zusammenhang finden, wie die einzelnen Gesetzmäßigkeiten eigentlich zusammenspielen, weil es oft einfach keine Zusammenhänge gibt oder diese einfach nicht erkannt werden konnten, und stattdessen von hypothetischen Überlegungen ersetzt werden, die man dann auswendig lernen muss.
Also ich bin alles andere, eben nur kein Experte in Pädagogik. Um einmal ein einfaches Beispiel nennen zu können, um ein einfaches Problem der Quantenphysik mathematisch damit lösen zu können, muss ich z.B. ein Photon als ein Punktobjekt betrachten, das daher eigentlich keine Quantität haben kann, aber dennoch ausschließlich dazu verwendet wird, die Quantität bzw. die Intensität seiner Wirkung zu berechnen. Obwohl man ausschließlich nur mit Quantitäten (Variablen) rechnen kann.
Es wird also definitiv eine Wirkungssphäre verleugnet, weil es sonst einer gewissen Quantenlogik widerspricht, aber dennoch wird seine Wirksamkeit berechnet.
Solches auswendig zu lernen ist daher nur den Leuten gegeben, die sich viel merken können und auch auf jeden Zusammenhang verzichten können, dafür aber viel besser mit den abstrakten quantentheologischen Spielregeln zurechtkommen.
Ich z.B. benötige redundante Zusammenhänge, um mir alles merken zu können, und bin daher nur ein einfacher Informatiker mit schwacher Tendenz zur Elektronik, Physik und Mathematik. Daher begreife ich auch ein bisschen mehr als das quantentheologische Nichts und kann daher auch ganz eigene Schlüsse ziehen.
Und daher bin ich auch nicht in der Lage, dir deine Fragen mit weniger als 5000 Zeichen zu beantworten, denn das ist das Limit, was mir gutefrage.de als Antwort hier zugesteht.
Also, stelle alle deine Fragen einzeln.
Ich finde das Statement viel zu pessimistisch, ein typisches "ignoramus ignorabimus" - Statement, die geeignet ist, jede Neugier von Nachwuchs- Wissenschaftlern zu ersticken.
Mit dieser Haltubg sollte man statt Mensch lieber Kuh sein und damit zufrieden, dass es frisches Gras und genügend Wasser gibt.