Wie funktioniert Quantenmechanik? Quantenphysik erklärt Teil 1 | Harald Lesch | Terra X Lesch & Co
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Transkript (automatisch erstellt)

0:00 [Harald Lesch] Ja, die Quantenmechanik, ne. [Musik] Die Quantenmechanik. Das scheint ja so eine ganz geheimnisvolle Geschichte zu sein.
0:08 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,
0:16 der hat sie nicht verstanden." Im Bermudadreieck der Quantenmechanik sind ja schon viele verloren gegangen,
0:23 aber es gibt eine Rettungsinsel: Und das ist die Natur. [INTRO]
0:34 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:
0:42 "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,
0:51 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,
1:01 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.
1:15 Sie hatte keine Chance. Sie hatte so ein bisschen so: Elektronen waren negativ. 1911 hat man herausgefunden, es gibt positive Ladungen im Atomkern.
1:24 Und schon war eigentlich alles unverständlich. [Musik] Das müsst ihr euch mal vorstellen, ich meine, wir sind ja unter uns: Anfang des 20. Jh.
1:34 wusste man noch nicht, weshalb es überhaupt stabile Materie gibt. Also man wusste nicht, weshalb Elektronen, die sind ja negativ geladen,
1:49 nicht einfach in den positiv geladenen Atomkern hineinstürzen. Bis dahin war es immer so: Ungleichnamige elektrische Ladungen, die ziehen sich an.
2:00 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,
2:08 der Atomkern ist positiv geladen. Also war doch klar, dass die Elektronen von dem Atomkern angezogen werden. Das Elektron muss doch darein fallen.
2:16 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
2:24 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.
2:33 Also es war völlig klar: Die Standardphysik des 19. Jh., die ja so wahnsinnig erfolgreich war - die Berechnung der Himmelsbewegung, die Thermodynamik, [Rattern]
2:42 die ganzen Wärmekraftmaschinen, Dampfmaschinen, all sowas. Und auch die Elektrizität, Dynamos, alles. War ja alles da. Elektromotor war schon früher erfunden worden
2:52 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:
3:02 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
3:14 die aus negativen und positiven Teilchen bestehen kann. Aber jetzt erstmal: Wie kann man das denn lösen, dass ein Elektron nicht in
3:23 den Atomkern fällt? Naja, man verbietet es ihm. Man stellt die Regel auf, dass ein Elektron tatsächlich nicht in den Kern kann.
3:31 Also zunächst einmal, dass man hier gar nicht so argumentieren kann, dass das Elektron diese Kraft spürt und dann ständig irgendwelche Strahlung abgibt
3:39 und damit Energie verliert. Das muss man erstmal unterlassen. Sondern, es gibt eben bestimmte Zustände, die das Elektron einnehmen kann
3:46 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,
3:54 der von einem Elektron umkreist wird, ist einfach völlig falsch. Das Elektron ist ein ausgebreitetes Etwas, über dessen tatsächliche Lokalisierbarkeit
4:04 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
4:14 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
4:25 drehen und wenden, die Wirklichkeit ist nicht beliebig zusammenzupressen. Das ist die Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation.
4:35 Und sie erlaubt sofort jedem physikalischen Ding und jedem physikalischen Begriff eine Wellenlänge zuzuordnen. Es ist ein Produkt von 2 Unbestimmtheiten,
4:47 die immer und unter allen Umständen, größer ist, als das Plancksche Wirkungsquantum. Das ist die Inkompressibilität der Welt. Und hier versagt unsere Vorstellungskraft
4:59 vollkommen. Es ist also in der Quantenmechanik nicht möglich, beliebig genau irgendetwas festzustellen ohne dass es nicht beliebig schnell wird.
5:11 Also natürlich bis max. zur Lichtgeschwindigkeit. Und wenn es dann ganz langsam geworden ist, dann wissen wir nicht mehr, wo es ist.
5:21 Das sind 2 Größen, die miteinander korrespondieren müssen. [Musik] Offenbar gibt es in dem Reich des Allerkleinsten ganz andere Regeln als in dem Reich,
5:30 was wir hier so kennen. In dem Reich des Allerkleinsten scheint es Verbotszonen zu geben. Man landet hier an einer Verständnisgrenze
5:39 in der Physik, wie man sie bis dahin überhaupt nicht kannte. Bis dahin war alle Physik irgendwie sehr klar anschaulich.
5:47 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 -
5:57 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
6:06 herausgefunden hat: Dass Licht sich offenbar, tja, komisch verhält. Man wusste schon, dass Licht elektromagnetische Strahlung ist
6:23 und dass es sich ausbreitet wie eine Welle. [Musik] Also eine Welle ist ja eine Oszillation im Raum, also nicht nur an einem Ort,
6:33 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,
6:42 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
6:51 verwendete: Elektrischer Strom, der fließt. Elektrische Spannung, das ist wie eine Staumauer, d.h. die Energie wird irgendwo festgehalten; die kann dann fließen.
7:01 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
7:10 des kontinuierlichen Übergangs. Da gab es die Mechanik, die Elektrodynamik, die Thermodynamik und das alles funktionierte wunderbar.
7:17 Energiebeträge wurden kontinuierlich abgegeben und aufgenommen bis dahin, dass überhaupt keine Energie abgegeben und aufgenommen wurde.
7:26 Also man konnte das Ganze kontinuierlich richtig gut verstehen. Und dann gab es ausgerechnet ein Problem, nämlich bei einem kontinuierlichem Spektrum eines Glühdrahts,
7:35 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
7:44 gefallen - muss man annehmen, dass Energie eben nicht kontinuierlich abgegeben wird, sondern immer in Packetform, in Quanten. Und das war die Annahme, die uns
7:53 in die ganze Quantenmechanik hineinbringt, dass nämlich die Abgabe von Energie in quantisierter Form stattfinden muss, also in Packetform.
8:02 Also die Abgabe von Energie war auf einmal nicht mehr in Wellenform, sondern in Quanten, also in Packetform. Licht wurde zu einem Teilchen. [Musik]
8:14 5 Jahre später wird ein anderer Großer der Physik, nämlich Albert Einstein, erklären: Das Herauslösen von Elektonen aus einer Metalloberfläche durch die Bestrahlung
8:26 mit elektromagnetischer Strahlung könne man nur verstehen, wenn die Strahlung auch in quantisierter Form aufgenommen wird. Also Abgabe und Aufnahme von Strahlung
8:38 nicht kontinuierlich, sondern in quantisierter Form. Dafür hat Einstein dann übrigens den Nobelpreis bekommen, nicht für seine Relativitätstheorie. Wahnsinn.
8:48 [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 -
8:58 das Licht wird auf einmal zu einem Teilchen. Einige Jahre später wird man feststellen, dass Teilchen sich wie Wellen verhalten
9:11 können. Man schickt sie durch einen Spalt und offensichtlich haben diese Teilchen Eigenschaften, die eher wellenartig sind. Als ob die Teilchen eine Wellenlänge hätten,
9:25 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,
9:38 also die Materie, die vorher Teilchen waren, wird zur Welle. Und das bedeutete bereits einen unglaublichen Bruch mit allen Vorstellungen,
9:48 die wir vorher gehabt haben. Hier versank die Vorstellungskraft förmlich in sich selber, denn offenbar passiert da unten etwas ganz, ganz anderes als das,
9:57 was wir uns vorstellen. Die Dinge sind unbestimmt und unvorstellbar. Unsere Vorstellungskraft versagt schlicht bei der Tatsache, dass etwas zugleich
10:08 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.
10:18 2 Seiten einer Medaille. Ich kann nie beide Seiten der gleichen Medaille immer sehen. Ich muss immer Experimente machen und bekomme bestimmte Eigenschaften heraus.
10:28 Und so zeigt sich, dass bei der Struktur der Materie die quantenmechanischen Vorstellungen von Unbestimmtheit, von Schwankungen unglaublich erfolgreich
10:38 in ihrer Vorhersagekraft sind. Sie können Dinge erklären, die man vorher für völlig unerklärt hielt. Z.B. wieso Atome miteinander
10:48 Verbindungen zu Molekülen eingehen. [Musik] Wie verbinden sich jetzt Atome, z.B. 2 Wasserstoffatome zu einem Wasserstoffmolekül?
10:57 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
11:04 Oberfläche vielleicht noch gleichnamig geladen sind. Dann geht das nicht. [Musik] Aber wenn wir uns vorstellen - und das ist die quantenmechanische Vorstellung -
11:12 dass diese Atome eher so etwas sind wie Wolken, diffuse Wolken, dann können [Musik] die sich durchdringen und können tatsächlich innerhalb dieser gemeinsamen Bindungswolke
11:21 ganz unterschiedliche Ladungsverteilungen haben, sodass z.B. die eine Seite ein bisschen positiv geladen ist, die andere Seite ein bisschen negativ.
11:29 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
11:38 quantenmechanischen Verbotsregeln abgeleitete Größen wie z.B. die Art und Weise, wie ein Teilchen sich im Magnetfeld verhält, den Spin. [Musik]
11:46 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,
11:55 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,
12:02 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
12:09 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.
12:21 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
12:32 anschauen und sehen, dass dieser Elektronenstrahl praktisch gesplittet wird. Die einen Teilchen gehen in die eine Richtung, die anderen gehen in die andere Richtung
12:42 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.
12:50 Und das Interessante in der Geschichte der Quantenmechanik ist, dass aus der Verbotsregel des einen, nämlich ein Elektron oder zwei Elektronen
12:57 müssen sich mind. in einem Zustand unterscheiden, sich weitere, immer weitere Verbotsregeln entwickelt haben, mit denen man immer besser und besser verstehen konnte,
13:07 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
13:19 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.
13:28 [Musik] Licht kann sich materieartig verhalten, also wie Teilchen, und Materie kann sich lichtartig verhalten, also wie Wellen. Und 2 Teilchen dürfen nie
13:40 exakt den gleichen Zustand haben. Sie müssen sich mind. in einer Eigenschaft voneinander unterscheiden. Das lässt uns verstehen, weshalb Atome in der bestimmten
13:49 Form strahlen, wie sie es tun. Das lässt uns sogar verstehen, wie Atomkerne zerfallen. Das lässt uns verstehen, wie Atome sich miteinander verbinden.
13:58 Und sogar, wie Atomkerne miteinander verschmelzen. Und damit wurden Anfang des 20. Jh. durch eine einzige Theorie
14:07 grundlegende physikalische Probleme mit einem Schlag [Schnipsen] gelöst. Eine Klappe, 7 Fliegen sozusagen. Unglaublich. [Musik]
14:16 Und wenn man diese Gedanken der Quantenmechanik, dass alles im Universum immer eine Wellenlänge und eine Frequenz hat, dass also alles Materielle im Universum
14:25 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
14:35 [Musik] Denn diese Unbestimmtheit garantiert in diesem Universum, dass es keine Nullen und kein Unendlich gibt.
14:45 Egal was immer wir an Energien, an Längen, an Geschwindigkeiten haben, alles ist limitiert durch diese scheinbar unvorstellbare Quantenmechanik, deren Regeln
14:58 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
15:09 nicht geben. Die Quantenmechanik ist der Garant dafür, dass die Welt als Ganzes überhaupt stabil bleibt, die Materie in ihr, die Wechselwirkung in ihr.
15:18 Und alles, was existiert, wird letzten Endes aufgebaut und zusammengesetzt durch die Regeln der Quantenmechanik.
15:26 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,
15:37 dann würde es mich nicht geben, dann würde es gar nichts geben. Und das ist natürlich das Tolle. Also, was heißt das Tolle?
15:45 Das ist irgendwie auch die Herausforderung, dass man einfach hinnehmen muss, dass eine Theorie Vorhersagen macht und Erklärungen abliefert, die richtig gut sind,
15:54 nämlich für die Phänomene, die man gemessen hat, dass sie aber mit unserer Vorstellungskraft überhaupt nicht mehr zu packen ist,
16:02 sondern dass es eine rein mathematische Theorie ist, deren Erfolg die Mittel heiligt. Das ist hier die Aussage, die dahinter steht.
16:11 [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.
16:23 Die Quantenmechanik liefert Messwerte, die wir auf viele, viele Stellen hinterm Komma genau nachmessen können und finden heraus, sie stimmt. Wie die Atome strahlen,
16:33 wie die Atome sich verbinden, weshalb es überhaupt Materie gibt. All diese Dinge lassen sich mit Quantenmechanik hervorragend erklären
16:42 und man kann natürlich weiter fragen, nur hinter der Quantenmechanik kommt nichts mehr.