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Wie funktioniert Quantenmechanik? Quantenphysik erklärt Teil 1 | Harald Lesch | Terra X Lesch & Co
Das Wichtigste aus dem Video
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Transkriptautomatisch erstellt · 104 Zeilen
- [Harald Lesch] Ja, die Quantenmechanik, ne. [Musik] Die Quantenmechanik. Das scheint ja so eine ganz geheimnisvolle Geschichte zu sein.
- Wenn man die zu lange betreibt, dann, so sagen einige, würde man irre werden. Es gibt so Sätze wie: "Wer behauptet, die Quantenmechanik verstanden zu haben,
- der hat sie nicht verstanden." Im Bermudadreieck der Quantenmechanik sind ja schon viele verloren gegangen,
- aber es gibt eine Rettungsinsel: Und das ist die Natur. [INTRO]
- In der Natur da zeigt sich erst, wie großartig die Quantenmechanik ist. Da muss man sich nicht um irgendwas kümmern, da kann man einfach nur sagen:
- "Was ist die Frage?" Und die Quantenmechanik liefert die Antwort. [Musik] [Musik] Zum Beginn des 20.Jh., und das muss man sich mal auf der Zunge zergehen lassen,
- konnte die Physik die Welt nicht erklären. Gut, sie konnte ein bisschen was erklären: Mechanik da oben am Himmel usw. und Dampfmaschinen gab es auch schon,
- auch Elektrizität, war alles schon da. Aber die Welt, die da war, also die Materie, [Klopfen] das, woraus die Welt besteht, konnte die Physik nicht erklären.
- Sie hatte keine Chance. Sie hatte so ein bisschen so: Elektronen waren negativ. 1911 hat man herausgefunden, es gibt positive Ladungen im Atomkern.
- Und schon war eigentlich alles unverständlich. [Musik] Das müsst ihr euch mal vorstellen, ich meine, wir sind ja unter uns: Anfang des 20. Jh.
- wusste man noch nicht, weshalb es überhaupt stabile Materie gibt. Also man wusste nicht, weshalb Elektronen, die sind ja negativ geladen,
- nicht einfach in den positiv geladenen Atomkern hineinstürzen. Bis dahin war es immer so: Ungleichnamige elektrische Ladungen, die ziehen sich an.
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, aber ungleichnamige Ladungen ziehen sich an. Und das Elektron - das wusste man schon - ist negativ geladen und man wusste auch,
- der Atomkern ist positiv geladen. Also war doch klar, dass die Elektronen von dem Atomkern angezogen werden. Das Elektron muss doch darein fallen.
- Und wenn das Elektron da diese Kraft spürt, dann wird es beschleunigt und beschleunigte Ladungen strahlen. [Sausen] Und wenn das Elektron strahlt, dann verliert es Energie
- und dann muss es dem Kern immer näher kommen und das spiraliert oder spiralisiert da in den Kern rein und dann [Platzen] gibt es eben nur noch neutrale Materie.
- Also es war völlig klar: Die Standardphysik des 19. Jh., die ja so wahnsinnig erfolgreich war - die Berechnung der Himmelsbewegung, die Thermodynamik, [Rattern]
- die ganzen Wärmekraftmaschinen, Dampfmaschinen, all sowas. Und auch die Elektrizität, Dynamos, alles. War ja alles da. Elektromotor war schon früher erfunden worden
- als der Automotor und Dieselmotor. Super. Aber das konnte nicht erklären, weshalb es überhaupt Materie gibt. Das muss man sich mal auf der Zunge zergehen lassen:
- Die Physik, also ist ja Physis, also ist die naturbeschreibende Naturwissenschaft schlechthin, ist nicht in der Lage zu erklären, warum es überhaupt stabile Materie gibt
- die aus negativen und positiven Teilchen bestehen kann. Aber jetzt erstmal: Wie kann man das denn lösen, dass ein Elektron nicht in
- den Atomkern fällt? Naja, man verbietet es ihm. Man stellt die Regel auf, dass ein Elektron tatsächlich nicht in den Kern kann.
- Also zunächst einmal, dass man hier gar nicht so argumentieren kann, dass das Elektron diese Kraft spürt und dann ständig irgendwelche Strahlung abgibt
- und damit Energie verliert. Das muss man erstmal unterlassen. Sondern, es gibt eben bestimmte Zustände, die das Elektron einnehmen kann
- ohne dass es Energie verliert. Das muss man postulieren, und muss sich dann überlegen, welche Konsequenzen das denn hätte. [Musik] Das Bild, es gäbe hier einen Atomkern,
- der von einem Elektron umkreist wird, ist einfach völlig falsch. Das Elektron ist ein ausgebreitetes Etwas, über dessen tatsächliche Lokalisierbarkeit
- wir gar nicht genau Bescheid wissen. Es ist immer unbestimmt. Immer. Und dann stellt sich raus, dass, wenn man wirklich möchte, dass ein Elektron ganz, ganz
- ganz, ganz nah am Kern dran ist, [Musik] dann ist es ganz, ganz, ganz, ganz schnell. Es kann überhaupt nicht in den Kern hineinfallen. Keine Chance. Egal wie wir es
- drehen und wenden, die Wirklichkeit ist nicht beliebig zusammenzupressen. Das ist die Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation.
- Und sie erlaubt sofort jedem physikalischen Ding und jedem physikalischen Begriff eine Wellenlänge zuzuordnen. Es ist ein Produkt von 2 Unbestimmtheiten,
- die immer und unter allen Umständen, größer ist, als das Plancksche Wirkungsquantum. Das ist die Inkompressibilität der Welt. Und hier versagt unsere Vorstellungskraft
- vollkommen. Es ist also in der Quantenmechanik nicht möglich, beliebig genau irgendetwas festzustellen ohne dass es nicht beliebig schnell wird.
- Also natürlich bis max. zur Lichtgeschwindigkeit. Und wenn es dann ganz langsam geworden ist, dann wissen wir nicht mehr, wo es ist.
- Das sind 2 Größen, die miteinander korrespondieren müssen. [Musik] Offenbar gibt es in dem Reich des Allerkleinsten ganz andere Regeln als in dem Reich,
- was wir hier so kennen. In dem Reich des Allerkleinsten scheint es Verbotszonen zu geben. Man landet hier an einer Verständnisgrenze
- in der Physik, wie man sie bis dahin überhaupt nicht kannte. Bis dahin war alle Physik irgendwie sehr klar anschaulich.
- Und jetzt kommt man an einen Teil der Welt heran, der offenbar mit unserer aufbaut, also die elementaren Teilchen, die unsere aufbauen - die Atome in dem Fall -
- und dann stellt man fest, da unten, da ist alles ganz anders als bei uns. [Musik] Ein anderes Geheimnis war die Frage, die man bei verschiedenen Experimenten
- herausgefunden hat: Dass Licht sich offenbar, tja, komisch verhält. Man wusste schon, dass Licht elektromagnetische Strahlung ist
- und dass es sich ausbreitet wie eine Welle. [Musik] Also eine Welle ist ja eine Oszillation im Raum, also nicht nur an einem Ort,
- sondern sie breitet sich aus im Raum. D.h. sie hat eine Amplitude, eine Höhe, hat eine Wellenlänge, eine Frequenz, all diese Dinge. Damit konnte man viel verstehen,
- viele der optischen Erscheinungen wie Beugung und Brechung und all diese Dinge. Die konnte man prima verstehen. Warum? Naja, weil man alles aus der Hydrodynamik
- verwendete: Elektrischer Strom, der fließt. Elektrische Spannung, das ist wie eine Staumauer, d.h. die Energie wird irgendwo festgehalten; die kann dann fließen.
- Spannung und Strom und Widerstand, das ist so wie im Widerstand in einer Strömung. Das konnte man sich prima anschaulich vorstellen. Die Physik bis dahin war eine Physik
- des kontinuierlichen Übergangs. Da gab es die Mechanik, die Elektrodynamik, die Thermodynamik und das alles funktionierte wunderbar.
- Energiebeträge wurden kontinuierlich abgegeben und aufgenommen bis dahin, dass überhaupt keine Energie abgegeben und aufgenommen wurde.
- Also man konnte das Ganze kontinuierlich richtig gut verstehen. Und dann gab es ausgerechnet ein Problem, nämlich bei einem kontinuierlichem Spektrum eines Glühdrahts,
- sog. Schwarzkörperstrahlung. Und Max Planck hat im Jahr 1900 dann gesagt: Um diese Spektrum zu verstehen, muss man annehmen - und das ist ihm sehr schwer
- gefallen - muss man annehmen, dass Energie eben nicht kontinuierlich abgegeben wird, sondern immer in Packetform, in Quanten. Und das war die Annahme, die uns
- in die ganze Quantenmechanik hineinbringt, dass nämlich die Abgabe von Energie in quantisierter Form stattfinden muss, also in Packetform.
- Also die Abgabe von Energie war auf einmal nicht mehr in Wellenform, sondern in Quanten, also in Packetform. Licht wurde zu einem Teilchen. [Musik]
- 5 Jahre später wird ein anderer Großer der Physik, nämlich Albert Einstein, erklären: Das Herauslösen von Elektonen aus einer Metalloberfläche durch die Bestrahlung
- mit elektromagnetischer Strahlung könne man nur verstehen, wenn die Strahlung auch in quantisierter Form aufgenommen wird. Also Abgabe und Aufnahme von Strahlung
- nicht kontinuierlich, sondern in quantisierter Form. Dafür hat Einstein dann übrigens den Nobelpreis bekommen, nicht für seine Relativitätstheorie. Wahnsinn.
- [Musik] Das Wort vom Quant war auf einmal in der Welt. D.h. das Licht, das bis dahin immer eine Welle gewesen ist - eine Welle, die sich ausbreitet im Raum -
- das Licht wird auf einmal zu einem Teilchen. Einige Jahre später wird man feststellen, dass Teilchen sich wie Wellen verhalten
- können. Man schickt sie durch einen Spalt und offensichtlich haben diese Teilchen Eigenschaften, die eher wellenartig sind. Als ob die Teilchen eine Wellenlänge hätten,
- oder eben das Licht einen Ort hat. Offenbar hängen die Dinge miteinander zusammen. Also Licht, was vorher eine Welle war, wird zum Teilchen und Teilchen,
- also die Materie, die vorher Teilchen waren, wird zur Welle. Und das bedeutete bereits einen unglaublichen Bruch mit allen Vorstellungen,
- die wir vorher gehabt haben. Hier versank die Vorstellungskraft förmlich in sich selber, denn offenbar passiert da unten etwas ganz, ganz anderes als das,
- was wir uns vorstellen. Die Dinge sind unbestimmt und unvorstellbar. Unsere Vorstellungskraft versagt schlicht bei der Tatsache, dass etwas zugleich
- 2 Eigenschaften haben kann und je nachdem, wie ich es experimentell untersuche, bekomme ich einmal die Eigenschaft des Teilchens und einmal die Eigenschaft der Welle heraus.
- 2 Seiten einer Medaille. Ich kann nie beide Seiten der gleichen Medaille immer sehen. Ich muss immer Experimente machen und bekomme bestimmte Eigenschaften heraus.
- Und so zeigt sich, dass bei der Struktur der Materie die quantenmechanischen Vorstellungen von Unbestimmtheit, von Schwankungen unglaublich erfolgreich
- in ihrer Vorhersagekraft sind. Sie können Dinge erklären, die man vorher für völlig unerklärt hielt. Z.B. wieso Atome miteinander
- Verbindungen zu Molekülen eingehen. [Musik] Wie verbinden sich jetzt Atome, z.B. 2 Wasserstoffatome zu einem Wasserstoffmolekül?
- Also wenn wir uns jetzt vorstellen, es wären wirklich harte Kugeln, dann würden die sich gar nicht verbinden können, v.a. dann nicht, wenn sie an ihrer
- Oberfläche vielleicht noch gleichnamig geladen sind. Dann geht das nicht. [Musik] Aber wenn wir uns vorstellen - und das ist die quantenmechanische Vorstellung -
- dass diese Atome eher so etwas sind wie Wolken, diffuse Wolken, dann können [Musik] die sich durchdringen und können tatsächlich innerhalb dieser gemeinsamen Bindungswolke
- ganz unterschiedliche Ladungsverteilungen haben, sodass z.B. die eine Seite ein bisschen positiv geladen ist, die andere Seite ein bisschen negativ.
- Also die Verbindung von Atomen zu Molekülen ist natürlich eine elektrisch - da spielen die elektrischen und elektromagnetischen Kräfte eine Rolle - aber eben auch aus den
- quantenmechanischen Verbotsregeln abgeleitete Größen wie z.B. die Art und Weise, wie ein Teilchen sich im Magnetfeld verhält, den Spin. [Musik]
- Also der Spin wird ja gerne beschrieben als Drall. Also man stelle sich vor, man hätte irgendwie ein Teilchen und dieses Teilchen würde sich um seine eigene Achse drehen,
- sich um eine Rotationsachse drehen. Es könnte sich einmal in die eine Richtung drehen und einmal in die andere Richtung. Deswegen spricht man vom Spin-up,
- also einem Drehsinn nach oben oder einem Drehsinn nach unten, Spin-down. Das ist eine Eigenschaft, wie sie sonst in der Physik nicht existiert, nämlich entweder
- oder, sondern in der klassischen Physik kann der Drehimpuls, mit dem sich ein Teilchen dreht, eben ganz unterschiedlich sein. Also er kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen.
- Aber hier nicht. Hier ist es entweder Plus oder Minus. Etwas anderes gibt es nicht. Physikalisch korrekter wäre es, wenn wir uns also Elektronen in einem Magnetfeld
- anschauen und sehen, dass dieser Elektronenstrahl praktisch gesplittet wird. Die einen Teilchen gehen in die eine Richtung, die anderen gehen in die andere Richtung
- Und diese Eigenschaft, dass diese Elektronen sich im Magnetfeld so orientieren, einmal in die eine und einmal in die andere Richtung, das nennt man Spin.
- Und das Interessante in der Geschichte der Quantenmechanik ist, dass aus der Verbotsregel des einen, nämlich ein Elektron oder zwei Elektronen
- müssen sich mind. in einem Zustand unterscheiden, sich weitere, immer weitere Verbotsregeln entwickelt haben, mit denen man immer besser und besser verstehen konnte,
- wie Atome sich zu Molekülen verbinden. D.h. aus den Verbotsregeln der Quantenmechanik haben sich auf einmal Eigenschaften entwickelt, die man im Experiment überprüfen konnte
- Nämlich: Wie verhalten sich Moleküle unter z.B. dem Beschuss von elektromagnetischer Strahlung? Was machen die? Und es hat sich herausgestellt, das ist alles richtig.
- [Musik] Licht kann sich materieartig verhalten, also wie Teilchen, und Materie kann sich lichtartig verhalten, also wie Wellen. Und 2 Teilchen dürfen nie
- exakt den gleichen Zustand haben. Sie müssen sich mind. in einer Eigenschaft voneinander unterscheiden. Das lässt uns verstehen, weshalb Atome in der bestimmten
- Form strahlen, wie sie es tun. Das lässt uns sogar verstehen, wie Atomkerne zerfallen. Das lässt uns verstehen, wie Atome sich miteinander verbinden.
- Und sogar, wie Atomkerne miteinander verschmelzen. Und damit wurden Anfang des 20. Jh. durch eine einzige Theorie
- grundlegende physikalische Probleme mit einem Schlag [Schnipsen] gelöst. Eine Klappe, 7 Fliegen sozusagen. Unglaublich. [Musik]
- Und wenn man diese Gedanken der Quantenmechanik, dass alles im Universum immer eine Wellenlänge und eine Frequenz hat, dass also alles Materielle im Universum
- sich wie Wellen verhalten kann und alles Wellenartige im Universum sich wie Materie verhalten kann, dann wird es möglich zu verstehen, weshalb die Welt überhaupt existiert
- [Musik] Denn diese Unbestimmtheit garantiert in diesem Universum, dass es keine Nullen und kein Unendlich gibt.
- Egal was immer wir an Energien, an Längen, an Geschwindigkeiten haben, alles ist limitiert durch diese scheinbar unvorstellbare Quantenmechanik, deren Regeln
- für unser Universum die Bedingungen sind, damit überhaupt irgendewas sein kann. Ohne die quantenmechanischen Regeln würde es uns nicht geben, würde es die ganze Welt
- nicht geben. Die Quantenmechanik ist der Garant dafür, dass die Welt als Ganzes überhaupt stabil bleibt, die Materie in ihr, die Wechselwirkung in ihr.
- Und alles, was existiert, wird letzten Endes aufgebaut und zusammengesetzt durch die Regeln der Quantenmechanik.
- Wenn es die quantenmechanischen Prinzipien nicht gäbe, dann würde dieser Film nicht laufen, dann würde diese Kamera nicht existieren, dann würde es euch nicht geben,
- dann würde es mich nicht geben, dann würde es gar nichts geben. Und das ist natürlich das Tolle. Also, was heißt das Tolle?
- Das ist irgendwie auch die Herausforderung, dass man einfach hinnehmen muss, dass eine Theorie Vorhersagen macht und Erklärungen abliefert, die richtig gut sind,
- nämlich für die Phänomene, die man gemessen hat, dass sie aber mit unserer Vorstellungskraft überhaupt nicht mehr zu packen ist,
- sondern dass es eine rein mathematische Theorie ist, deren Erfolg die Mittel heiligt. Das ist hier die Aussage, die dahinter steht.
- [Musik] Am Ende muss man einfach sagen: Wir haben in der Physik keine einzige Theorie, die präziser ausgeleuchtet, überprüft und bestätigt worden ist als die Quantenmechanik.
- Die Quantenmechanik liefert Messwerte, die wir auf viele, viele Stellen hinterm Komma genau nachmessen können und finden heraus, sie stimmt. Wie die Atome strahlen,
- wie die Atome sich verbinden, weshalb es überhaupt Materie gibt. All diese Dinge lassen sich mit Quantenmechanik hervorragend erklären
- und man kann natürlich weiter fragen, nur hinter der Quantenmechanik kommt nichts mehr.
Zum Nachlesen
Harald LeschHarald Lesch (* 28. Juli 1960 in Gießen) ist ein deutscher Astrophysiker, Naturphilosoph, Wissenschaftsjournalist, Fernsehmoderator und Hörbuchsprecher.
AstrophysikDie Astrophysik befasst sich mit den physikalischen Grundlagen der Erforschung von Himmelserscheinungen und ist ein Teilgebiet der Astronomie.
PhysikDie Arbeitsweise der Physik besteht in einem Zusammenwirken experimenteller Methoden und theoretischer Modellbildung. Physikalische Theorien bewähren sich in …
NaturwissenschaftUnter dem Begriff Naturwissenschaft werden Wissenschaften zusammengefasst, die empirisch arbeiten und sich mit der Erforschung der Natur befassen.