Wie kann ein Teilchen gleichzeitig an zwei Orten sein?
In der Quantenphysik spricht man vom sogenannten Superpositionsprinzip. Das bedeutet, dass ein Teilchen wie ein Elektron nicht einfach einen festen Ort hat, sondern sich gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden kann. Aber wie genau funktioniert das? Und warum verschwindet dieser Effekt, sobald wir versuchen, das Teilchen zu beobachten?
4 Antworten
Warum die Welt funktioniert, wie sie es tut, kann die Physik leider nicht erklären. Sie kann nur beschreiben, wie die Welt funktioniert.
Im Falle der Elementarteilchen (eigentlich auch anderer Körper, bei mikroskopischen Körpern ist der Effekt nur am leichtesten zu messen) verhält es sich so:
Ein Teilchen kann durch eine sog. Wellenfunktion Psi(x) beschrieben werden, die den Zustand des Teilchens beschreibt. Das Betragsquadrat |Psi(x)|² ist die sog. Wahrscheinlichkeitsdichte und gibt für jeden Punkt im Raum an, wie wahrscheinlich es ist, das Teilchen dort zu finden. Das Teilchen ist gewissermaßen "verschmiert" und befindet sich irgendwo in einem ganzen Raumbereich, statt an einem fest definierten Punkt. Das Teilchen befindet sich dabei in einem sogenannten Überlagerungszustand, in dem alle Orte des Raumbereichs vorkommen.
Bei einer Messung wird nun die Position des Teilchens ermittelt und die Wahrscheinlichkeitsverteilung verändert sich: Das Teilchen befindet sich nun mit 100% Wahrscheinlichkeit am gemessenen Ort, mit 0% Wahrscheinlichkeit an jedem anderen Ort. Man sagt, dass das Teilchen sich nun in einem Eigenzustand befindet.
Der Übergang von einem Überlagerungszustand in einen Eigenzustand wird auch als Kollaps der Wellenfunktion bezeichnet. So richtig gut verstanden ist er leider noch nicht. Aber man kann mit ihm arbeiten. ;)
Hier ist eine Simulation, die die Sache demonstriert: https://phet.colorado.edu/de/simulations/quantum-wave-interference
Dort kannst du oben auf "Einzelnes Teilchen" gehen. Mit "Feuer" auf der Kanone, kannst du ein Teilchen losfliegen lassen und siehst eine große Wolke, die sich Richtung Schirm bewegt, das ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Teilchens. Am Schirm angekommen, entsteht irgendwo ein kleiner Punkt, das ist dann der tatsächliche Auftreffpunkt.
Du kannst dann in der Seitenleiste rechts den Doppelspalt einfügen und beobachten, wie die Wahrscheinlichkeitsverteilung sich wellenartig verhält, es kommt zu Interferenz.
Du kannst auch einen Detektor in der Seitenleiste hinzufügen. Wenn du beim Detektor den Haken unter "automatischer Detektor" herausnimmst, siehst du erst mal die Situation ohne Messung. Drückst du dann auf "Detektieren!", dann kannst du quasi den Kollaps der Wellenfunktion triggern. Die "Wahrscheinlichkeitswelle" wird beim Detektieren dann entweder vollständig innerhalb oder vollständig außerhalb des Detektors "eingesperrt", da ja der Detektor in dem Moment die Messung gemacht hat und nun bekannt ist, ob das Teilchen drinnen oder draußen ist. Nach der Messung bewegt sich das Teilchen dann anders weiter als es das ohne Messung getan hätte.
Klassisch ist uns das Phänomen einfach nicht vertraut. Wir kennen Teilchen nur so, dass sie an einem einzigen Ort sind. Etwas anderes widerspricht der alltäglichen Erfahrung.
Man kann sich der Sache aber annähern, indem man eine Fotografie mit langer Belichtungszeit macht. Dann sieht man ein Teilchen auch zugleich an mehreren Orten. Fragt man dann: "Ja, wo war es denn im Zeitraum der Belichtung?" kann man lediglich eine räumliche Verteilung der Orte angeben.
Hier mal meine durch nichts bewiesene Theorie.
Atome und die noch kleineren Teilchen scheinen zeitlos zu sein. Einem einzelnen, isolierten Atom können wir sein Alter nicht ansehen / nicht ablesen. (Lediglich radioaktiver Zerfall und die Anzahl angesammelter Atome / Ionen des gleichen Typs lassen Alterschätzungen zu.)
Ein Elektron ist nicht an zwei Stellen gleichzeitig. Es ist zeitlos und daher überall. Erst durch die Beobachtung, durch die Messung wird ihm eine Zeit zugeortnet / ein Zeitstempel verpaßt.
Konzentrier dich zuerst mal darauf, herauszufinden, weshalb die Physiker behaupten, es sei so. Dazu musst du die Experimente studieren. Da findest du z. B. eine schöne Sammlung, einfach erklärt:
https://fragen-raetsel-mysterien.ch/category/physik/quantentheorie/
Ausgezeichnet ist auch das Buch 'Photonen' von Harry Paul.
Wenn du viele solche Experimente studiert hast, merkst du mit der Zeit, dass da eigentlich nichts Widersprüchliches passiert. Die Welt ist einfach anders, als wir gedacht haben. Du musst also die Welt anders denken.
Eine philosophische Schwierigkeit ist die Frage, was 'real' ist. Was heisst es, das Teilchen sei an zwei Orten gleichzeitig? - Diese Aussage ist nur konsistent, wenn man von der Viele-Welten-Interpretation ausgeht. Denn nur da werden alle Teile der Welle als 'real' bezeichnet. Viele Physiker haben keine konsistente Theorie, was Realität bedeutet. Die sagen z. B. die Vielen-Welten seien gar nicht real. Real sei nur, was beobachtet werden könne. Das führt dazu, dass du ständig Dinge in deine Rechnungen einbeziehen musst, die gar nicht real sind. Und dass andere Menschen Dinge beobachten, die für dich gar nicht real sind. Oder dass du eine Sonderstellung vor allen anderen Beobachtern hast.
Eine gute Klärung dieser Fragen, aber ziemlich mathematisch, ist:
Dieter Zeh, 'Physik ohne Realität - Tiefsinn oder Wahnsinn?'