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Physikalischer Hintergrund

Moderne Physik

Die physikalischen Gesetze, die das Verhalten von allen Gegenständen, die uns umgeben, erklären, wurden schon vor hunderten von Jahren entwickelt. Wir fassen sie unter dem Begriff klassische Physik zusammen.

Alles, was uns umgibt, ist aus kleinen Bausteinen, den Atomen, zusammengesetzt. Diese wiederum bestehen aus noch kleineren Teilchen wie Elektronen, Protonen oder Neutronen. Im letzten Jahrhundert stellten Forscher und Forscherinnen fest, dass einige Gesetze der klassischen Physik nicht mehr gelten, wenn man solche Teilchen betrachtet. Sie entwickelten daher neue Gesetze: Die Quantenphysik war geboren.

Die quantenphysikalischen Gesetze sind weniger einfach zu verstehen als die Gesetze der klassischen Physik – oft scheinen sie unserer Alltagserfahrung und unserem gesunden Menschenverstand zu widersprechen. Um quantenphysikalische Eigenschaften und Phänomene trotzdem anschaulich erklären zu können, behelfen wir uns mit Modellen, also mit vergleichenden Vorstellungen zu dem, was wir kennen und verstehen. Wir stellen uns beispielsweise Elektronen als kleine Kügelchen vor, um sie anschaulich und begreifbar zu machen, auch wenn das nicht ganz der Wirklichkeit entspricht: Auf der Grundlage des Modells, in diesem Fall unserer Kügelchen-Vorstellung, kann man die meisten Beobachtungen, auch in der Quantenphysik, richtig vorhersagen. Die aktuelle Forschung geht allerdings davon aus, dass Elektronen in der Realität gar keine Ausdehnung haben, dass ihr Durchmesser also genau Null beträgt. Wir können unsere Vorstellung vom Kügelchen daher zwar beibehalten, müssen uns aber ab und zu daran erinnern, dass die Realität etwas komplizierter ist als unser Modell.

Quantelung

Das Phänomen, dass der Quantenphysik ihren Namen gab, ist die Quantelung: Bei der Untersuchung von mikroskopischen Systemen stellten Physiker fest, dass viele messbare Größen nur ganz bestimmte Werte annehmen können. So können beispielsweise Elektronen, die an einen Atomkern gebunden sind, nur bestimmte Energiewerte annehmen.

Welle-Teilchen-Dualismus

Eine weitere zentrale Erkenntnis der Quantenphysik ist der Welle-Teilchen-Dualismus. Bei Experimenten mit Licht stellte man fest, dass dieses sowohl Eigenschaften von Wellen als auch von Teilchen aufweist: Licht breitet sich wie Wasserwellen im Raum aus und kann durch Überlagerung von Wellenbergen und –tälern verstärkt oder abgeschwächt werden. Gleichzeitig lassen sich aber auch Lichtteilchen nachweisen, die nicht über den Raum verteilt, sondern zu einem bestimmten Zeitpunkt nur an einem bestimmten Ort anzutreffen sind. Man nennt diese Lichtteilchen Photonen. Auch bei anderen Quantenobjekten (Elektronen, Atome, Moleküle, etc.) konnte man den Welle-Teilchen-Dualismus nachweisen.

 

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