Quantenmechanik: Eine Einführung

Sie haben wahrscheinlich gehört, dass die Quantenphysik seltsam und seltsam ist und nicht den Gesetzen der Physik folgt, an die Sie gewöhnt sind. Dies ist sicherlich weitgehend richtig. Es gibt einen Grund, warum Physiker eine neue Theorie entwickeln mussten und sich nicht auf die alten verlassen mussten, um zu erklären, was in der Welt der extrem Kleinen passiert.

In dieser Einführung in die Quantenmechanik erfahren Sie, wie Wissenschaftler an Quantenverhalten und Quantenphänomene herangehen und woher diese Ideen stammen.

In der Quantenwelt gibt es in der Tat viel Seltsames. Die Quantenmechanik ist der Zweig der Physik, der versucht, diese Verrücktheit zu erklären und einen Rahmen bereitzustellen, der Vorhersagen und Erklärungen beobachteter Phänomene ermöglicht.

Zu den grundlegenden Aspekten der Quantenmechanik gehört der Begriff der Quantisierung. Das heißt, es gibt eine kleinste Einheit von etwas, die nicht weiter zerlegt werden kann. Energie ist quantisiert, dh sie kommt in diskreten Einheiten vor.

Die Größe quantisierter Einheiten wird normalerweise in Form von geschrieben Plancksche Konstante, ​ha​ = 6.62607004 × 10^-34 ich²kg/s.

Ein weiterer Aspekt der Quantenmechanik ist die Vorstellung, dass alle Teilchen tatsächlich eine Teilchen-Welle-Dualität haben, was bedeutet, dass sie manchmal als Teilchen und manchmal als Wellen agieren. Tatsächlich werden sie durch eine sogenannte Wellenfunktion beschrieben.

Quanten-Verrücktheit beinhaltet die Vorstellung, dass es irgendwie davon abhängt, wie Sie es betrachten, ob sich ein Teilchen wie eine Welle verhält oder nicht. Außerdem scheinen bestimmte Eigenschaften eines Teilchens – wie die Orientierung seines Spins – keinen genau definierten Wert zu haben, bis Sie sie messen.

Das ist richtig, es ist nicht nur so, dass Sie es bis zur Messung nicht wissen, sondern der tatsächliche eindeutige Wert existiert erst bei der Messung.

Die Quantenmechanik lässt sich am besten verstehen, wenn man sie mit der klassischen Physik vergleicht, der Physik alltäglicher Objekte, mit der Sie wahrscheinlich besser vertraut sind.

Der erste große Unterschied besteht darin, für welche Realms jeder Zweig gilt. Die klassische Physik lässt sich sehr gut auf Gegenstände alltäglicher Größe anwenden, wie zum Beispiel einen geworfenen Ball. Die Quantenmechanik gilt für sehr kleine Objekte wie Protonen, Elektronen usw.

In der klassischen Physik haben Teilchen und Objekte zu jedem Zeitpunkt eine unterschiedliche Position und einen bestimmten Impuls, und beide können immer genau bekannt sein. Je genauer Sie in der Quantenmechanik die Position eines Objekts kennen, desto weniger genau kennen Sie seinen Impuls. Teilchen haben nicht immer genau definierte Orte und Impulse. Dies wird als Heisenbergsche Unschärferelation bezeichnet.

Die klassische Physik geht davon aus, dass die Energiewerte, die etwas haben kann, stetig sind. In der Quantenmechanik existiert Energie jedoch in diskreten Brocken. Subatomare Teilchen wie beispielsweise Elektronen in Atomen können nur unterschiedliche Energieniveaus besetzen und keine Werte dazwischen.

Auch die Funktionsweise der Kausalität ist unterschiedlich. Die klassische Physik ist vollständig kausal, d. h. die Kenntnis der Anfangszustände ermöglicht es Ihnen, genau vorherzusagen, was passieren wird.

Die Quantenmechanik hat eine andere Version der Kausalität. Teilchen werden durch ein quantenmechanisches described Wellenfunktion, die relative Wahrscheinlichkeiten dessen angibt, was gemessen werden könnte. Diese Wellenfunktion folgt bestimmten physikalischen Gesetzen, wie sie sich in der Zeit „entwickelt“ und hinterlässt vorhersagbare „Wahrscheinlichkeitswolken“ dessen, was Messungen ergeben könnten.

Viele berühmte Wissenschaftler haben im Laufe der Jahre zur Quantentheorie beigetragen, und viele wurden für ihre Beiträge mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Tatsächlich war die Entdeckung und Entwicklung der Quantenmechanik revolutionär. Die Anfänge der Quantentheorie lassen sich bis ins 19. Jahrhundert zurückverfolgen.

• Der Physiker Max Planck konnte das Phänomen der Schwarzkörperstrahlung durch die Quantisierung von Energie erklären.
• Später entwickelte Albert Einstein eine Erklärung für die photoelektrischer Effekt indem man Licht als Teilchen statt als Welle behandelt und ihm quantisierte Energiewerte gibt.
• Neils Bohr ist berühmt für seine Arbeiten zum Wasserstoffatom, bei denen er Spektrallinien mit quantenmechanischen Prinzipien erklären konnte.
• Louis de Broglie stellte die Idee vor, dass auch Teilchen, die klein genug sind – wie etwa Elektronen – einen Teilchen-Wellen-Dualität aufweisen.
• Erwin Schrödinger entwickelte sein berühmtes Schrödinger-Gleichung, die beschreibt, wie sich Wellenfunktionen mit der Zeit entwickeln.
• Werner Heisenberg entwickelte die Unschärferelation, die bewies, dass weder Ort noch Impuls eines Quantenteilchens mit Sicherheit bekannt sind.
• Paul Dirac sagte die Existenz von Antimaterie voraus und machte Schritte, um die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantentheorie in Einklang zu bringen.
• John Bell ist bekannt für den Satz von Bell, der bewies, dass es keine versteckten Variablen gibt. (Mit anderen Worten, es ist nicht nur so, dass Sie die Quantenteilchen nicht kennen rotieren oder eine andere Eigenschaft vor der Messung, aber tatsächlich hat sie vor der Messung keinen genau definierten Wert.)
• Richard Feynman entwickelte die Theorie der Quantenelektrodynamik.

Weil die Quantenmechanik so seltsam und so kontraintuitiv ist, haben verschiedene Wissenschaftler unterschiedliche Interpretationen davon entwickelt. Die Gleichungen, die vorhersagen, was passiert, sind eine Sache – wir wissen, dass sie funktionieren, weil sie mit übereinstimmen Beobachtungen – aber zu verstehen, was sie wirklich bedeuten, ist eine eher philosophische Angelegenheit und war Gegenstand vieler Debatte.

Einstein charakterisierte die verschiedenen Interpretationen anhand von vier Eigenschaften:

• Realismus, der sich darauf bezieht, ob Eigenschaften vor der Messung tatsächlich vorhanden sind.
• Vollständigkeit, die anspricht, ob die aktuelle Quantentheorie vollständig ist oder nicht.
• Lokaler Realismus, eine Unterkategorie des Realismus, die sich darauf bezieht, ob Realismus auf einer lokalen, unmittelbaren Ebene existiert.
• Determinismus, der sich darauf bezieht, wie gut die Quantenmechanik als deterministisch angesehen wird.

Die Standardinterpretation der Quantenmechanik wird Kopenhagen-Interpretation genannt. Es wurde 1927 von Bohr und Heisenberg in Kopenhagen formuliert. Im Wesentlichen besagt diese Interpretation, dass alles, was ein Quantenteilchen ist und was man über es wissen kann, durch die Wellenfunktion beschrieben wird. Mit anderen Worten, die ganze Verrücktheit der Quantenmechanik ist wirklich so seltsam und so sind die Dinge tatsächlich.

Eine alternative Sichtweise ist die Viele-Welten-Interpretation, die die wahrscheinlichkeitstheoretischen Ergebnisse von Quanten beseitigt Beobachtungen durch die Feststellung, dass alle möglichen Ergebnisse tatsächlich auftreten, aber in verschiedenen Welten, die Zweige unserer Gegenwart sind Wirklichkeit.

Hidden-Variable-Theorien besagen, dass es in der Quantenwelt mehr gibt, die es uns ermöglichen würden, Vorhersagen zu treffen, basieren nicht auf Wahrscheinlichkeiten, aber wir müssen bestimmte versteckte Variablen aufdecken, die uns diese Vorhersagen ermöglichen. Mit anderen Worten, die Quantenmechanik ist nicht vollständig. Bells Theorem bewies jedoch, dass versteckte Variablen auf lokaler Ebene nicht existieren.

Die De Broglie-Bohm-Theorie, auch als Pilotwellentheorie bekannt, befasst sich mit dem Begriff der versteckten Variablen mit einem globalen Ansatz, der dem Bell-Theorem nicht widerspricht.

Es überrascht nicht, dass es viele, viele andere Interpretationen gibt, weil Wissenschaftler über ein Jahrhundert hatten, um zu versuchen, die wirklich bizarre Natur der Quantenwelt zu verstehen.

Auf diesem Weg wurden viele berühmte Experimente durchgeführt, die zu verschiedenen Aspekten der Quantentheorie führten und diese bewiesen.

Ein sehr berühmtes Experiment ist das EPR-Experiment, benannt nach den Wissenschaftlern Einstein, Podolsky und Rosen. Dieses Experiment beschäftigte sich mit der Idee der Verschränkung in einem Quantensystem. Betrachten Sie zwei Elektronen, die beide eine Eigenschaft namens Spin haben. Ihr Spin ist, wenn er gemessen wird, entweder in der oberen Position oder in der unteren Position.

Bei der Messung des Spins eines einzelnen Elektrons hat es eine 50-prozentige Chance, oben und eine 50-prozentige Chance, unten zu sein. Die Ergebnisse können nicht per Quantenmechanik vorhergesagt werden. In diesem Experiment sind jedoch zwei Elektronen so verschränkt, dass ihr kombinierter Spin 0 ist. Per Quantenmechanik können wir jedoch immer noch nicht wissen, welches Spin-Up und welches Spin-Down ist. und tatsächlich befindet sich keiner in einer der beiden Positionen, sondern in einer „Überlagerung“ von beiden Zustände.

Diese beiden verschränkten Elektronen werden in entgegengesetzte Richtungen zu verschiedenen Geräten geschickt, die ihre Spins gleichzeitig messen. Sie sind während der Messung so weit voneinander entfernt, dass eines der beiden Elektron keine Zeit hat, ein unsichtbares „Signal“ an das andere zu senden, um ihm mitzuteilen, wie sein Spin gemessen wird. Und dennoch wird bei der Messung gemessen, dass beide einen entgegengesetzten Spin aufweisen.

Schrödingers Katze ist ein berühmtes Gedankenexperiment, das sowohl die Seltsamkeit des Quantenverhaltens veranschaulichen als auch die Frage, was wirklich unter Messung zu verstehen ist und ob große Objekte – wie eine Katze – Quantendarstellungen aufweisen können Verhalten.

In diesem Experiment soll sich eine Katze in einer Kiste befinden, so dass sie vom Beobachter nicht gesehen werden kann. Das Leben der Katze wird von einem Quantenereignis abhängig gemacht – zum Beispiel von der Ausrichtung des Elektronspins. Wenn es spin-up ist, stirbt die Katze. Wenn es heruntergedreht wird, lebt die Katze.

Aber der Zustand des Elektrons ist dem Beobachter ebenso verborgen wie die Katze in der Kiste. Die Frage ist also, bis Sie die Schachtel öffnen, ist die Katze am Leben, tot oder auch in einer seltsamen Überlagerung von Zuständen wie das Elektron bis zur Messung?

Seien Sie jedoch versichert, dass niemand ein solches Experiment durchgeführt hat und keine Katzen bei der Suche nach Quantenwissen zu Schaden gekommen sind!

Die 1900er Jahre waren eine Zeit, in der die Physik wirklich aufkam. Die klassische Mechanik konnte die Welt der ganz Kleinen, die Welt der ganz Großen oder die Welt der Schnellen nicht mehr erklären. Viele neue Zweige der Physik wurden geboren. Darunter sind:

• ​Quantenfeldtheorie:Eine Theorie, die die Idee der Felder mit der Quantenmechanik und der speziellen Relativitätstheorie verbindet.
• ​Teilchenphysik:Ein Gebiet der Physik, das alle fundamentalen Teilchen und ihre Interaktionsmöglichkeiten beschreibt.
• ​Quanten-Computing:Ein Feld, das versucht, Quantencomputer zu entwickeln, die eine schnellere und bessere Verarbeitung ermöglichen Verschlüsselung, weil die Funktionsweise eines solchen Computers auf Quantenmechanik basieren würde Prinzipien.
• ​Spezielle Relativität:Die Theorie, die das Verhalten von Objekten beschreibt, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, basiert auf der Vorstellung, dass sich nichts schneller als Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann.
• ​Generelle Relativität:Die Theorie, die Gravitation als Raum-Zeit-Krümmung beschreibt.