Was ist Quantenmechanik?

Die Quantenmechanik oder Quantentheorie ist eine Theorie, die ihre eigenen Schöpfer nicht vollständig verstanden haben, die sich jedoch als die einzige erwiesen hat, die das Verhalten von Materie in der mikroskopischen Welt erklären kann.

Im Herzen der Materie gibt es eine riesige Welt, die aus Milliarden und Abermilliarden von Teilchen besteht und unseren Sinnen und unserer Intuition entgeht. Eine Welt, in der die üblichen physikalischen Gesetze nicht gelten, sondern die komplizierteren und "mysteriöseren" der Quantenmechanik, eine Theorie, die so paradox ist, dass sie die Wissenschaftler selbst, die sie erfunden haben, in Erstaunen versetzt. "Niemand versteht es wirklich", sagte Richard Feynman, einer der klügsten Physiker seiner Generation im Jahr 1965.

Charmant. Diese Theorie funktioniert jedoch, weil sie die Welt der Atome und Moleküle mit tadelloser Präzision beschreibt. Und es hat viele Anwendungen, von Lasern bis zur Magnetresonanztomographie. In der Tat wird vermutet, dass einige damit verbundene Phänomene wie der Tunneleffekt die Photosynthese und damit das Leben ermöglichen.

Nicht nur das, die Quantenmechanik hat Philosophen und Wissenschaftler wegen ihrer fast "magischen" Eigenschaften schon immer fasziniert. Und heute tritt es in unsere "tägliche" Kultur ein und inspiriert auch Bücher, Filme und Kunstwerke. Aber was ist diese Theorie wirklich? Und warum ist es so wichtig? Lass uns in Ordnung gehen.

Wunderteilchen. Wellen, die sich wie Teilchen verhalten, Teilchen, die wie Geister Barrieren überqueren oder auf "telepathische" Weise miteinander kommunizieren ... Dies ist die seltsame Welt, mit der Wissenschaftler konfrontiert waren, als sie die Quantenmechanik entdeckten.

Eines der Hauptmerkmale dieser Theorie ist die Quantisierung . Das ist die Tatsache, dass in der mikroskopischen Welt physikalische Größen wie Energie nicht "kontinuierlich" ausgetauscht werden können, wie ein Leitungswasserfluss, der nach Belieben dosiert werden kann, sondern durch "Pakete", die "wie viele" genannt werden. … Als Wasser in Gläsern oder Flaschen mit einem vorgegebenen Volumen. Aufgrund dieser Eigenschaft besteht Licht aus Energiekörpern, die als "Photonen" bezeichnet werden. und sogar Atome können diese Energie nur in Paketen absorbieren: Ein Atom kann beispielsweise 1 oder 2 oder 3 oder mehr Photonen absorbieren oder emittieren, aber nicht 2,7 Photonen oder ein halbes Photon.

Dies geschieht im photoelektrischen Effekt, nach dem ein Metall, das von der richtigen Lichtart getroffen wird, Elektrizität erzeugt: Dieses Phänomen, das Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt und 1905 von Einstein erklärt wurde, ist die Grundlage für den Betrieb moderner Photovoltaik-Module.

Welle oder Teilchen? Die zweite "Kuriosität" der Quantenmechanik ist die Tatsache, dass - wie Giano Bifronte - alle Teilchen eine doppelte Natur haben: "In einigen Experimenten verhalten sie sich wie Körperchen, in anderen wie Wellen", erklärt Giancarlo Ghirardi, emeritierter Professor für Physik an der Universität von Triest. «Ein Experiment, das die Wellennatur von Elektronen zeigt, ist das des Doppelspaltes: Ein empfindlicher Bildschirm wird vor einem Doppelspalt platziert, und es wird beobachtet, dass die Elektronen die Platte beeindrucken und Interferenzstreifen bilden, genau wie das Licht (siehe Zeichnung hier) unter). Andere Experimente zeigen, dass Elektronen Teilchen sind ".

Unberechenbar. Die klassische Physik ist "vorhersehbar": Sie ermöglicht es Ihnen, die Flugbahn eines Projektils oder eines Planeten genau zu berechnen. In der Quantenmechanik wird die Geschwindigkeit eines Teilchens jedoch umso unsicherer, je genauer die Position eines Teilchens bekannt ist (und umgekehrt).

Das 1927 vom deutschen Physiker Werner Heisenberg formulierte Unsicherheitsprinzip sagt dies aus. Wenn wir also das Verhalten eines Elektrons in einem Atom beschreiben wollen, können wir nur sagen, dass es sich in einer Wolke um den Kern befindet, und die Quantenmechanik gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass sich das Elektron durch eine Messung an einem bestimmten Punkt befindet . Vor der Messung wird der Elektronenzustand durch die Menge aller möglichen Ergebnisse beschrieben: Wir sprechen daher von einer Überlagerung von Quantenzuständen. Zum Zeitpunkt der Messung "kollabiert" das Elektron in einen einzigen Zustand. Dieses Prinzip hat einen wichtigen konzeptionellen Aspekt: ​​In gewissem Sinne greifen Wissenschaftler mit ihren Messinstrumenten in die Schaffung der Realität ein, die sie untersuchen.

Wie Geister. Ein weiteres bizarres Quantenphänomen ist der Tunneleffekt , dh die Tatsache, dass Teilchen eine Barriere überwinden können, wie ein Geist durch eine Wand geht. "So wird der Zerfall radioaktiver Substanzen erklärt", sagt Ghirardi. "Die von diesen Materialien emittierte Strahlung besteht in der Tat aus Partikeln, die eine Energiebarriere innerhalb der Kerne überwinden."

Helle Gewebe. Das alles ist schon seltsam genug. Das merkwürdigste Phänomen ist jedoch die Verschränkung ("Verflechtung"). Stellen Sie sich vor, Sie nehmen zwei Photonen in einer "Überlagerung von Zuständen" - wir können sie uns als Münzen vorstellen, die sich endlos drehen und beide Gesichter (Kopf oder Kreuz) zeigen - und sie einer Verschränkung unterziehen und sie dann auf entgegengesetzte Seiten des Universums bringen.

Laut Quantenmechanik befindet sich die andere Münze sofort in einem unbestimmten Zustand, wenn wir eine Messung an einer der beiden durchführen und beispielsweise einen Kopf erhalten: Wenn wir sie messen (nach einer Sekunde oder nach einem Jahrhundert), sind wir sicher dass das Ergebnis Kopf sein wird. Die beiden Teilchen sind wie in ... telepathischem Kontakt. Absurd? Nein, Verstrickung!

Wie Star Trek. Diese erstaunliche Funktion kann verwendet werden, um eine Quantenteleportation durchzuführen (siehe Galerie unten). "Angenommen, wir möchten ein durch seinen Polarisationszustand identifiziertes Photon von Punkt A nach Punkt B übertragen", sagt Ghirardi. "Dazu müssen zusätzlich zu dem zu teleportierenden Photon zwei verschränkte Photonen verfügbar sein, eines in A und das andere in B. Dann wird das zu teleportierende Photon mit dem ersten verschränkten Photon (das in A) interagiert und kommuniziert mit dem Beobachter in B das Ergebnis der Operation, und dabei wird ihm gezeigt, wie er das zweite verschränkte Photon manipulieren muss, um eine identische Kopie des Startphotons zu erhalten ".

In der Praxis wird die Information des Startphotons dank der Vermittlung der miteinander verflochtenen Photonen auf B übertragen: In Wirklichkeit handelt es sich eher um eine Informationsübertragung als um eine Übertragung von Materie wie der von Star Trek.

Aus diesem Grund ist die Teleportation für Wissenschaftler, die die Quantencomputer der Zukunft untersuchen, von besonderem Interesse. Computer, dh in dem Qubits anstelle der "Bits" (Folgen von "0" und "1") des herkömmlichen Rechnens verarbeitet werden: Der Vorteil besteht darin, dass Sie mit den Qubits in kurzer Zeit "parallel" Operationen ausführen können, die traditionelle Computer würden Jahre dauern. Somit ist mit einer Anzahl "n" von Qubits die Anzahl von Berechnungspfaden, die gleichzeitig ausgeführt werden können, gleich 2N, dh 2x2x2 ... x2, n-mal: Mit weniger als 300 Qubits würde die Anzahl von Partikeln des gesamten Universums überschritten . Bisher können jedoch nur wenige Qubits manipuliert werden, und das mit großer Schwierigkeit: Die "magische" Welt der Quantencomputer ist allesamt zu erforschen.

In jüngerer Zeit haben zwei Physiker der University of Queensland (Australien) sogar eine "zeitliche" Teleportation entworfen, bei der die Verschränkung eher auf Zeit als auf Raum angewendet wird, immer mit dem Ziel, komplexe Berechnungen zu ermöglichen. Aber wenn es funktionieren würde, wäre es das erste echte Beispiel für eine Zeitmaschine, obwohl es sich ein wenig davon unterscheidet, wie Science-Fiction es sich immer vorgestellt hat.

Die Quanten in Philosophie und Kultur. Die Quantenmechanik ist jedoch nicht nur seltsam und kompliziert. Es zwingt uns auch, die gewohnten mentalen Muster zu überprüfen, unsere Überzeugungen zu testen und neue Antworten auf die Fragen zu geben, die Philosophen seit Jahrtausenden gestellt haben. Hier sind einige Beispiele.

Ist das Schicksal vorhersehbar?

Wie können wir zum Beispiel Maradonas Strafen vergessen? Die auf dem Ball eingeprägten Flugbahnen waren eine bewundernswerte Begegnung zwischen Sport und Physik. Wenn jedoch ein hypothetisches Quantum "Pibe de oro" ein Elektron zwischen seinen Füßen findet, kann es es nicht mit der gleichen Präzision treten. Dieser "Ball" würde in der Tat nicht der deterministischen Schuss-Tor-Logik folgen.

Dank des Prinzips der Überlagerung von Zuständen könnte es sich tatsächlich überall auf dem Feld befinden und sich wie ein Nebel an mehreren Stellen gleichzeitig ausbreiten. Und erst nachdem es beobachtet wurde, würde es an einem bestimmten Punkt, vielleicht direkt im Netz, endgültig "zusammenbrechen" ... kurz gesagt, das Schicksal ist nicht vorhersehbar.

Ganz im Gegenteil zu dem, was sie im fünften Jahrhundert behaupteten. zu. C. die Griechen Leucippus und Democritus, wonach die Welt aus Atomen bestand, die sich auf vorhersehbare Weise im Vakuum bewegen. Obwohl dann, ein Jahrhundert später, ein anderer Grieche, Epikur, die Hypothese aufstellte, dass es unter den Atomen zufällige Unebenheiten mit unvorhersehbaren Konsequenzen gab. Die klassische Physik schien im 19. Jahrhundert die ersten beiden zu beweisen. Die Quantenmechanik hingegen ist, wenn auch auf völlig anderen Grundlagen, dem Denken von Epikur näher.

Existiert das Universum unabhängig von uns?

Esse est percipi: Um zu existieren, müssen Dinge wahrgenommen werden. Der britische Philosoph George Berkeley unterstützte es im 18. Jahrhundert, wonach eine Kugel oder ein Baum an sich unabhängig von uns nicht existiert: Was wir wahrnehmen, sind die sensorischen Reize, die direkt von Gott kommen. Und der deutsche Philosoph Immanuel Kant, immer in der 700 wiederholte er, dass man die Welt nicht "so wie sie an sich" (von ihm als Noumenon definiert) kennen kann, sondern nur "was erscheint". Ähnliches, zwei Jahrhunderte später, sagt die Quantenmechanik: Um die Position eines Teilchens zu bestimmen, muss man es beispielsweise beleuchten ... und dann spritzt das vom Licht getroffene Teilchen weg. Wir wissen, wo es ist, aber nicht, wo es nach einem Moment sein wird.

Kurz gesagt, um die Realität zu beobachten, muss man sie "stören": "Nach der Interpretation von Kopenhagen", erklärt Giulio Giorello, Professor für Wissenschaftstheorie an der Staatlichen Universität Mailand, "hängen Quantenereignisse vom Vorhandensein des Beobachtungsapparats ab, der benötigt wird." messen".

Einstein war nicht in der Lage, diesen Aspekt der Theorie zu verdauen: Er war tatsächlich davon überzeugt, dass die Realität gut bestimmt und unabhängig vom Beobachter war. Heute befürworten Experten die Kopenhagener Interpretation.

Was ist, wenn die Wirkung der Ursache vorausging?

Eine der Säulen der klassischen Wissenschaft ist die Regel, dass in der Welt, in der wir leben, jede Ursache notwendigerweise einer Wirkung folgt: Wenn ich einen Stein gegen ein Fenster werfe, breche ich ihn, wenn ich das Feuer berühre, verbrenne ich mich. Im achtzehnten Jahrhundert stellte der schottische Philosoph David Hume dieses Prinzip in Frage: Selbst wenn jeden Tag zwei Ereignisse aufeinander folgen, sollten wir diesen Zusammenhang nicht als logische Konsequenz betrachten, da er eine gewohnheitsmäßige Assoziation unserer Ideen sein könnte.

Die traditionelle Wissenschaft hat das Prinzip von Ursache und Wirkung nie in Frage gestellt. Die Quantenmechanik scheint dagegen zu verstoßen, aber es ist nicht so: Die Theorie erlaubt es, einige Aspekte der Teilchenentwicklung mit Sicherheit zu berechnen, aber nicht alles (ansonsten muss man sich damit zufrieden geben, die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, mit der ein bestimmtes Phänomen auftritt). In keinem Fall lässt die Theorie jedoch Situationen zu, in denen beispielsweise die Wirkung der Ursache vorausgeht oder von dieser getrennt ist.

ERWEITERT UNSERE ESSENZ AUF DAS GANZE UNIVERSUM?

Wenn wir im Internet surfen, scheint der Raum durch einen Mausklick innerhalb von Hypertext-Links zwischen Systemen, die Tausende von Kilometern voneinander entfernt sind, angesaugt zu werden. In der subatomaren Welt kann unter bestimmten Bedingungen dasselbe passieren: Es gibt "Zwillings" -Partikel, die durch die Verschränkungseigenschaft miteinander verbunden sind und die, obwohl sie sich an entgegengesetzten Punkten des Universums befinden, in der Lage wären, sofort miteinander zu kommunizieren und als Ganzes zu wirken 'einer.

Dieses jetzt bewiesene Phänomen zerstört eine der Säulen der traditionellen Physik: das Prinzip der Lokalität. Um Zweifel zu wecken: Leben wir in einem unteilbaren, dynamischen Ganzen, dessen Teile miteinander verbunden sind, wie der niederländische Philosoph Baruch Spinoza im 17. Jahrhundert behauptete?

Nach seiner "pantheistischen" Vision gibt es eine einzigartige und unendliche Substanz, eine geometrische Ordnung, in der Gott und Natur (Deus sive natura, "Gott oder Natur") als innere Ursache für das Ganze zusammenfallen.

VERWEIGERT DIE NATUR VAKUUM?

Natura abhorret a vacuo ("Natur lehnt die Leere ab"): Der Satz stammt aus dem Mittelalter, aber das Konzept ist uralt: bereits im vierten Jahrhundert. zu. C. Der griechische Aristoteles und seine Schüler bestritten die Existenz eines "Ortes, an dem es nichts gibt", an dem "nicht einmal ein einziger Gegenstand sich bewegen kann".

Das Tabu im Westen ist seit Jahrtausenden geblieben, sogar von der Kirche assimiliert, die die Existenz eines Ortes ohne Gott nicht tolerierte. Dann hatte die klassische Physik gezeigt, dass Leere geschaffen werden kann, indem beispielsweise die Luft aus einem Behälter entfernt wird . Es schien auch möglich, die "perfekte Leere" zu schaffen, dh eine Raumregion, die völlig frei von Atomen und Licht ist.

Die Quantenmechanik hat jedoch festgestellt, dass dies nicht möglich ist: Selbst das "perfekte Vakuum" würde unendliche Energiefluktuationen enthalten, die virtuelle Teilchen erzeugen können, die aus dem Nichts entstehen und in sehr kurzer Zeit kontinuierlich verschwinden. Kurz gesagt, Aristoteles hatte in gewissem Sinne Recht.

IST REALITÄTSSACHE ODER INFORMATION?

Heute erleben wir den Triumph der Informatik: Texte, Bilder, Töne und Filme reisen im Internet von einem Teil der Welt zum anderen in Form von Sequenzen von 0 und 1: den Bits. Diese digitalen Bausteine, ein wesentlicher Bestandteil unseres Lebens, führen uns zu einer Reflexion: Besteht die Realität aus Materie oder Teilen? Vielleicht leben wir, wie der Science-Fiction-Film Matrix sagt, in einem großen elektronischen Gehirn, das die Welt simuliert. Mit dem Unterschied, dass sich die Bits der Quantenmechanik von den "klassischen" unterscheiden: Sie werden Qubits genannt und ermöglichen Kombinationen (und logische Operationen) von beispielloser Komplexität in der Welt des traditionellen Rechnens

GIBT ES EINE THEORIE, DIE ALLES ERKLÄREN KANN?

Physiker suchen nach einer Theorie von allem, die alles vereinen kann: Mensch und Sterne, klein und groß ... werden sie es schaffen? Es wird nicht gesagt, aber Ehrgeiz ist uralt. Auf seine Weise hatte er es bereits im 6. Jahrhundert versucht. zu. C. der griechische Philosoph Pythagoras, der die Zahlen, die letzten Bestandteile der Natur, mit der Aufgabe betraut, das Universum zu vereinen.

Heute liegt der Schwerpunkt jedoch auf einer Weiterentwicklung der Stringtheorie namens "Theorie M". Es ist mehr als eine einzelne Theorie, es ist derzeit ein System von 5 verschiedenen Theorien, die in verschiedenen Kontexten gelten.

Wir könnten es mit einer großen Weltkarte vergleichen: Um die gesamte Erdoberfläche originalgetreu darzustellen, werden viele kleine geografische Karten benötigt, die sich teilweise überlappen und verschiedene Aspekte derselben Landschaft zeigen.

Nach einem Artikel von Roberto Rizzo und Carolina Borella

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