Portionierter Mikrokosmos. Vladimir GoloshchapovPhysik der Elementarteilchen Materieteilchen in der Quantenphysik

Die Quantenphysik hat unser Verständnis der Welt radikal verändert. Laut Quantenphysik können wir den Verjüngungsprozess mit unserem Bewusstsein beeinflussen!

Warum ist das möglich?Aus der Sicht der Quantenphysik ist unsere Realität eine Quelle reinen Potenzials, eine Quelle von Rohstoffen, aus denen unser Körper, unser Geist und das gesamte Universum bestehen. Das universelle Energie- und Informationsfeld hört nie auf, sich zu verändern und zu transformieren. Jede Sekunde verwandelt es sich in etwas Neues.

Im 20. Jahrhundert wurde bei physikalischen Experimenten mit subatomaren Teilchen und Photonen entdeckt, dass die Tatsache, dass man das Experiment beobachtet, seine Ergebnisse verändert. Worauf wir unsere Aufmerksamkeit richten, kann reagieren.

Diese Tatsache wird durch ein klassisches Experiment bestätigt, das Wissenschaftler jedes Mal aufs Neue überrascht. Dies wurde in vielen Laboren wiederholt und es wurden immer die gleichen Ergebnisse erzielt.

Für dieses Experiment wurden eine Lichtquelle und ein Schirm mit zwei Schlitzen vorbereitet. Die Lichtquelle war ein Gerät, das Photonen in Form einzelner Impulse „schoss“.

Der Fortschritt des Experiments wurde überwacht. Nach Versuchsende waren auf dem Fotopapier, das sich hinter den Schlitzen befand, zwei vertikale Streifen sichtbar. Dabei handelt es sich um Spuren von Photonen, die durch die Risse gelangten und das Fotopapier beleuchteten.

Als dieses Experiment automatisch und ohne menschliches Eingreifen wiederholt wurde, veränderte sich das Bild auf dem Fotopapier:

Schaltete der Forscher das Gerät ein und ging, und nach 20 Minuten war das Fotopapier entwickelt, dann wurden nicht zwei, sondern viele vertikale Streifen darauf gefunden. Das waren Spuren von Strahlung. Aber die Zeichnung war anders.

Die Struktur der Spur auf Fotopapier ähnelte der Spur einer Welle, die durch die Schlitze ging. Licht kann die Eigenschaften einer Welle oder eines Teilchens aufweisen.

Aufgrund der einfachen Tatsache der Beobachtung verschwindet die Welle und verwandelt sich in Teilchen. Wenn Sie es nicht beobachten, erscheint eine Spur der Welle auf dem Fotopapier. Dieses physikalische Phänomen wird „Observer-Effekt“ genannt.

Die gleichen Ergebnisse wurden mit anderen Partikeln erzielt. Die Experimente wurden viele Male wiederholt, aber jedes Mal überraschten sie die Wissenschaftler. So wurde entdeckt, dass Materie auf der Quantenebene auf die menschliche Aufmerksamkeit reagiert. Das war neu in der Physik.

Nach den Vorstellungen der modernen Physik entsteht alles aus dem Nichts. Diese Leere wird „Quantenfeld“, „Nullfeld“ oder „Matrix“ genannt. Die Leere enthält Energie, die in Materie umgewandelt werden kann.

Materie besteht aus konzentrierter Energie – das ist eine grundlegende Entdeckung der Physik des 20. Jahrhunderts.

Es gibt keine festen Teile in einem Atom. Objekte bestehen aus Atomen. Aber warum sind Objekte solide? Ein Finger, der an eine Mauer gelegt wird, dringt nicht hindurch. Warum? Dies ist auf Unterschiede in den Frequenzeigenschaften von Atomen und elektrischen Ladungen zurückzuführen. Jede Atomart hat ihre eigene Schwingungsfrequenz. Dies bestimmt die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften von Objekten. Wenn es möglich wäre, die Schwingungsfrequenz der Atome, aus denen der Körper besteht, zu ändern, könnte ein Mensch durch Wände gehen. Aber die Schwingungsfrequenzen der Atome der Hand und der Atome der Wand liegen nahe beieinander. Daher liegt der Finger an der Wand an.

Für jede Art von Wechselwirkung ist Frequenzresonanz notwendig.

Anhand eines einfachen Beispiels ist dies leicht zu verstehen. Wenn Sie eine Taschenlampe auf eine Steinmauer richten, wird das Licht von der Wand blockiert. Allerdings kann Mobilfunkstrahlung diese Wand leicht durchdringen. Es geht um die Frequenzunterschiede zwischen der Strahlung einer Taschenlampe und einem Mobiltelefon. Während Sie diesen Text lesen, durchströmen Ströme unterschiedlichster Strahlung Ihren Körper. Dabei handelt es sich um kosmische Strahlung, Funksignale, Signale von Millionen Mobiltelefonen, Strahlung von der Erde, Sonnenstrahlung, Strahlung von Haushaltsgeräten usw.

Du spürst es nicht, weil du nur Licht sehen und nur Geräusche hören kannst. Selbst wenn Sie mit geschlossenen Augen schweigend dasitzen, gehen Ihnen Millionen von Telefongesprächen, Bildern von Fernsehnachrichten und Radiobotschaften durch den Kopf. Sie nehmen dies nicht wahr, da zwischen den Atomen, aus denen Ihr Körper besteht, und der Strahlung keine Frequenzresonanz besteht. Aber wenn es Resonanz gibt, dann reagiert man sofort. Zum Beispiel, wenn Sie sich an einen geliebten Menschen erinnern, der gerade an Sie gedacht hat. Alles im Universum gehorcht den Gesetzen der Resonanz.

Die Welt besteht aus Energie und Information. Nachdem Einstein lange über die Struktur der Welt nachgedacht hatte, sagte er: „Die einzige Realität, die im Universum existiert, ist das Feld.“ So wie Wellen eine Schöpfung des Meeres sind, sind alle Erscheinungsformen der Materie: Organismen, Planeten, Sterne, Galaxien Schöpfungen des Feldes.

Es stellt sich die Frage: Wie entsteht Materie aus einem Feld? Welche Kraft steuert die Bewegung der Materie?

Die Forschung der Wissenschaftler führte sie zu einer unerwarteten Antwort. Der Begründer der Quantenphysik, Max Planck, sagte in seiner Dankesrede für den Nobelpreis:

„Alles im Universum wird durch Kraft erschaffen und existiert. Wir müssen davon ausgehen, dass hinter dieser Kraft ein bewusster Geist steht, der die Matrix aller Materie ist.“

Die Materie wird durch das Bewusstsein gesteuert

An der Wende vom 20. zum 21. Jahrhundert tauchten in der theoretischen Physik neue Ideen auf, die es ermöglichten, die seltsamen Eigenschaften von Elementarteilchen zu erklären. Partikel können aus dem Nichts auftauchen und plötzlich verschwinden. Wissenschaftler geben die Möglichkeit der Existenz von Paralleluniversen zu. Vielleicht bewegen sich Teilchen von einer Schicht des Universums in eine andere. An der Entwicklung dieser Ideen sind Prominente wie Stephen Hawking, Edward Witten, Juan Maldacena und Leonard Susskind beteiligt.

Nach den Konzepten der theoretischen Physik ähnelt das Universum einer Nistpuppe, die aus vielen Nistpuppenschichten besteht. Dies sind Varianten von Universen – Parallelwelten. Die nebeneinanderliegenden sind sich sehr ähnlich. Doch je weiter die Schichten voneinander entfernt sind, desto geringer ist die Ähnlichkeit zwischen ihnen. Um von einem Universum in ein anderes zu gelangen, sind theoretisch keine Raumschiffe erforderlich. Alle möglichen Optionen liegen ineinander. Diese Ideen wurden erstmals Mitte des 20. Jahrhunderts von Wissenschaftlern geäußert. An der Wende vom 20. zum 21. Jahrhundert erhielten sie eine mathematische Bestätigung. Heutzutage werden solche Informationen von der Öffentlichkeit problemlos akzeptiert. Allerdings konnte man vor ein paar hundert Jahren für solche Aussagen auf dem Scheiterhaufen verbrannt oder für verrückt erklärt werden.

Alles entsteht aus der Leere. Alles ist in Bewegung. Objekte sind eine Illusion. Materie besteht aus Energie. Alles wird durch Gedanken erschaffen. Diese Entdeckungen der Quantenphysik enthalten nichts Neues. All dies war den alten Weisen bekannt. Viele mystische Lehren, die als geheim galten und nur Eingeweihten zugänglich waren, besagten, dass es keinen Unterschied zwischen Gedanken und Objekten gebe.Alles auf der Welt ist voller Energie. Das Universum reagiert auf Gedanken. Energie folgt der Aufmerksamkeit.

Worauf Sie Ihre Aufmerksamkeit richten, beginnt sich zu verändern. Diese Gedanken finden sich in verschiedenen Formulierungen in der Bibel, in alten gnostischen Texten und in mystischen Lehren, die in Indien und Südamerika entstanden sind. Das haben die Erbauer der antiken Pyramiden vermutet. Dieses Wissen ist der Schlüssel zu neuen Technologien, die heute zur Kontrolle der Realität eingesetzt werden.

Unser Körper ist ein Energie-, Informations- und Intelligenzfeld, das in ständigem dynamischem Austausch mit der Umwelt steht. Die Impulse des Geistes geben dem Körper ständig und jede Sekunde neue Formen, um sich an die sich ändernden Anforderungen des Lebens anzupassen.

Aus quantenphysikalischer Sicht ist unser physischer Körper unter dem Einfluss unseres Geistes in der Lage, einen Quantensprung von einem biologischen Zeitalter zum anderen zu machen, ohne alle dazwischen liegenden Zeitalter zu durchlaufen. veröffentlicht

P.S. Und denken Sie daran: Allein durch die Änderung Ihres Konsums verändern wir gemeinsam die Welt! © econet

Physischer Realismus ist die Ansicht, dass die physische Welt, die wir sehen, real ist und in sich selbst existiert. Die meisten Leute denken, dass dies eine Selbstverständlichkeit ist, aber seit einiger Zeit wird dem physikalischen Realismus durch einige Fakten aus der Welt der Physik ernsthaft widersprochen. Die Paradoxien, die die Physiker des letzten Jahrhunderts verwirrten, sind immer noch nicht gelöst, und die vielversprechenden Theorien der Strings und der Supersymmetrie haben diesen Wagen noch nicht zum Ziel gebracht.

Im Gegensatz dazu funktioniert die Quantentheorie, aber Quantenwellen, die sich verschränken, überlagern und dann kollabieren, scheinen physikalisch unmöglich – sie erscheinen „imaginär“. Das alles ergibt ein interessantes Bild: Eine Theorie darüber, was nicht existiert, sagt effektiv voraus, was existiert – aber wie kann das Unwirkliche das Reale vorhersagen?

Quantenrealismus ist die entgegengesetzte Ansicht, dass die Quantenwelt real ist und die physische Welt als virtuelle Realität erschafft. Die Quantenmechanik sagt also die Auswirkungen der physikalischen Mechanik voraus, weil sie diese verursacht. Physiker sagen, dass der Gedanke, dass Quantenzustände nicht existieren, so sei, als würde man „der Person hinter dem Vorhang keine Aufmerksamkeit schenken“.

Der Quantenrealismus ist keine „Matrix“, in der eine andere Welt, die unsere erschaffen hat, physisch sein wird. Und das ist nicht die Idee eines Gehirns im Bottich, da diese Virtualität schon lange existierte, bevor der Mensch erschien. Und es ist keine Phantom-Anderwelt, die unsere beeinflusst: Unsere physische Welt ist ein Phantom für sich. Im physikalischen Realismus existiert die Quantenwelt nicht, aber im Quantenrealismus ist die physikalische Welt unmöglich – es sei denn, sie ist virtuelle Realität. Und hier sind mögliche Erklärungen.

Entstehung des Universums

Physischer Realismus

Jeder hat vom Urknall gehört, aber wenn das physische Universum vor uns liegt, wie hat er dann begonnen? Das fertige Universum sollte sich überhaupt nicht ändern, da es nirgendwo hingehen und nirgendwo herkommen kann und nichts es ändern kann. Im Jahr 1929 entdeckte der Astronom Edwin Hubble jedoch, dass sich alle Galaxien von uns weg ausdehnten, was zu der Idee eines Urknalls führte, der sich an einem Punkt in der Raumzeit vor etwa 14 Milliarden Jahren ereignete. Die Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (der als weißes Rauschen auf einem Fernsehbildschirm sichtbar ist) bestätigte, dass unser Universum nicht nur an einem Punkt begann, sondern dass damit auch Raum und Zeit entstanden.

Als das Universum entstand, existierte es also bereits vor seiner Erschaffung, was unmöglich ist, oder es wurde von etwas anderem erschaffen. Es kann nicht sein, dass ein ganzes, vollständiges und vollständiges Universum aus dem Nichts entstanden ist. Dennoch glauben die meisten Physiker heute an diese seltsame Idee. Sie glauben, dass das erste Ereignis eine Quantenfluktuation im Vakuum war (in der Quantenmechanik erscheinen und verschwinden Paare von Teilchen und Antiteilchen überall, was bedeutet, dass es keine absolute Leere gibt). Aber wenn Materie einfach aus dem Weltraum kam, woher kam dann der Weltraum? Wie könnte eine Quantenfluktuation im Raum Raum schaffen? Wie konnte die Zeit von alleine vergehen?

Quantenrealismus

Jede virtuelle Realität beginnt mit dem ersten Ereignis, bei dem sowohl Raum als auch Zeit in Erscheinung treten. Aus dieser Sicht ereignete sich der Urknall, als unser physisches Universum einschließlich seines Raumzeit-Betriebssystems hochfuhr. Der Quantenrealismus legt nahe, dass der Urknall tatsächlich der große Anfang war.

Unser Universum hat eine Höchstgeschwindigkeit

Physischer Realismus

Einstein kam zu dem Schluss, dass sich im Vakuum nichts schneller als Licht fortbewegen könne, und im Laufe der Zeit wurde dies zu einer universellen Konstante, obwohl nicht ganz klar ist, warum das so ist. Grob gesagt läuft jede Erklärung auf die Tatsache hinaus, dass „die Lichtgeschwindigkeit konstant und begrenzt ist, weil sie so ist“. Denn nichts kann gerader sein als eine gerade Linie.

Aber die Antwort auf die Frage „Warum können sich die Dinge nicht immer schneller bewegen“, nämlich „weil sie es nicht können“, ist kaum eine zufriedenstellende Antwort. Licht wird durch Wasser oder Glas verlangsamt (gebrochen), und wenn es sich im Wasser bewegt, sagen wir, sein Medium sei Wasser, wenn es sich in Glas befindet, ist es Glas, aber wenn es sich im leeren Raum bewegt, schweigen wir. Wie kann eine Welle in der Leere vibrieren? Es gibt keine physikalische Grundlage für die Bewegung von Licht durch den luftleeren Raum, geschweige denn für die Bestimmung der maximal möglichen Geschwindigkeit.

Quantenrealismus

Wenn die physische Welt eine virtuelle Realität ist, dann ist die Lichtgeschwindigkeit ein Produkt der Informationsverarbeitung. Informationen werden als Stichproben aus einer endlichen Menge definiert, daher muss ihre Verarbeitung auch mit endlicher Geschwindigkeit erfolgen, was bedeutet, dass unsere Welt mit endlicher Geschwindigkeit aktualisiert wird. Ein herkömmlicher Supercomputer-Prozessor aktualisiert 10 Billiarden Mal pro Sekunde und unser Universum aktualisiert sich Billionen Mal schneller, aber die Prinzipien sind im Grunde die gleichen. Und wenn das Bild auf dem Bildschirm Pixel und eine Bildwiederholfrequenz hat, gibt es in unserer Welt eine Planck-Länge und eine Planck-Zeit.

In diesem Fall ist die Lichtgeschwindigkeit am Limit, da das Netzwerk nichts schneller als ein Pixel pro Zyklus übertragen kann, also die Planck-Länge pro Planck-Zeiteinheit oder etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde. Die Lichtgeschwindigkeit sollte eigentlich die Geschwindigkeit des Kosmos (Weltraums) heißen.

Unsere Zeit ist sehr formbar

Physischer Realismus

In Einsteins Zwillingsparadoxon reist ein Zwilling mit fast Lichtgeschwindigkeit auf einer Rakete und kehrt ein Jahr später zurück, um festzustellen, dass sein Zwillingsbruder ein Achtzigjähriger ist. Keiner von ihnen wusste, dass ihre Zeit anders verging und alle am Leben blieben, aber das Leben des einen ging zu Ende und das des anderen begann gerade erst. In der objektiven Realität scheint dies unmöglich, aber tatsächlich verlangsamt sich die Zeit für Teilchen in Beschleunigern. In den 1970er Jahren flogen Wissenschaftler Atomuhren in Flugzeugen um die Welt, um zu bestätigen, dass sie langsamer tickten als ursprünglich synchronisierte Uhren auf der Erde. Aber wie kann die Zeit, die Richterin aller Veränderungen, selbst einer Veränderung unterworfen sein?

Quantenrealismus

Die virtuelle Realität hängt von der virtuellen Zeit ab, wobei jeder Verarbeitungszyklus ein „Tick“ ist. Jeder Spieler weiß, dass sich die Spielzeit etwas verlangsamt, wenn der Computer aufgrund von Verzögerungen einfriert. Ebenso verlangsamt sich die Zeit in unserer Welt mit zunehmender Geschwindigkeit oder in der Nähe massiver Objekte, was auf Virtualität hinweist. Der Zwilling auf der Rakete alterte nur um ein Jahr, weil alle Verarbeitungszyklen seines Systems eingefroren waren, um Geld zu sparen. Nur seine virtuelle Zeit hat sich geändert.

Unser Raum ist gekrümmt

Physischer Realismus

Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie hält die Sonne die Erde durch den gekrümmten Raum auf ihrer Umlaufbahn, aber wie kann der Raum gekrümmt sein? Im Raum findet per Definition Bewegung statt, daher muss sie, damit sie sich biegt, in einem anderen Raum existieren und so weiter bis ins Unendliche. Wenn Materie in einem leeren Raum existiert, kann nichts diesen Raum bewegen oder biegen.

Quantenrealismus

Im „Leerlauf“-Modus ist der Computer nicht wirklich im Leerlauf, sondern führt ein Nullprogramm aus, und unser Space kann das Gleiche tun. Der Casimir-Effekt tritt auf, wenn das Vakuum des Weltraums Druck auf zwei nahe beieinander liegende Platten ausübt. Die moderne Physik behauptet, dass dieser Druck durch virtuelle Teilchen verursacht wird, die aus dem Nichts auftauchen, aber im Quantenrealismus wird der leere Raum mit Verarbeitungsvorgängen gefüllt, die den gleichen Effekt verursachen. Und der Raum als Verarbeitungsnetzwerk kann eine dreidimensionale, krümmungsfähige Oberfläche darstellen.

Unfälle passieren

Physischer Realismus

In der Quantentheorie ist der Quantenkollaps zufällig; ein radioaktives Atom kann beispielsweise jederzeit ein Photon aussenden. Die klassische Physik erklärt nicht die Zufälligkeit von Ereignissen. Die Quantentheorie erklärt ein physikalisches Ereignis durch den „Zusammenbruch der Wellenfunktion“, sodass in jedem physikalischen Ereignis ein Element der Zufälligkeit steckt.

Um eine Bedrohung dieses Primats der physikalischen Kausalität abzuwenden, schlug Hugh Everett 1957 die Viele-Welten-Theorie vor, die unüberprüfbare Idee, dass jede Quantenwahl ein neues Universum entstehen lässt, sodass jede Version des Ereignisses irgendwo in einem neuen „Multiversum“ auftritt .“ Wenn Sie zum Beispiel Sandwiches zum Frühstück wählen, erschafft die Natur ein weiteres Universum, in dem Sie Pfirsiche und Joghurt zum Frühstück haben. Anfangs wurde die Viele-Welten-Interpretation mit Gelächter behandelt, doch heute ziehen Physiker diese spezielle Theorie zunehmend anderen vor, um den Albtraum des Zufalls zu zerstreuen.

Wenn jedoch Quantenereignisse neue Universen erschaffen, ist es nicht schwer, sich vorzustellen, dass sich Universen mit einer Geschwindigkeit ansammeln, die über jede Vorstellung von Unendlichkeit hinausgeht. Die Fantasie vieler Welten meidet Occams Rasiermesser nicht nur, sondern verletzt es auch. Darüber hinaus ist das Multiversum eine Reinkarnation eines anderen alten Märchens über das Uhrwerk-Universum, das die Quantentheorie im letzten Jahrhundert entlarvte. Falsche Theorien sterben nicht, sie verwandeln sich in Zombie-Theorien.

Quantenrealismus

Der Prozessor in einem Online-Spiel kann einen Zufallswert generieren, ebenso wie unsere Welt. Quantenereignisse sind zufällig, da sie Client-Server-Aktionen beinhalten, auf die wir keinen Zugriff haben. Quantenzufälligkeit scheint bedeutungslos zu sein, aber sie spielt in der Evolution der Materie die gleiche Rolle wie die genetische Zufälligkeit in der biologischen Evolution.

Antimaterie existiert

Physischer Realismus

Antimaterie bezieht sich auf subatomare Teilchen, die den Elektronen, Protonen und Neutronen gewöhnlicher Materie entsprechen, jedoch eine entgegengesetzte elektrische Ladung und andere Eigenschaften aufweisen. In unserem Universum kreisen negative Elektronen um positive Atomkerne. In einem Antimaterie-Universum würden positive Elektronen um negative Kerne kreisen, aber die Bewohner dieses Universums würden denken, dass mit den Gesetzen der Physik alles in Ordnung sei. Materie und Antimaterie vernichten sich bei Kontakt, das heißt, sie zerstören sich gegenseitig.

Diracs Feldgleichungen sagten Antimaterie voraus, lange bevor sie entdeckt wurde, aber es war nicht ganz klar, wie etwas, das Materie vernichtete, überhaupt möglich war. Feynmans Diagramm der Kollision eines Elektrons mit einem Antielektron zeigt, dass dieses bei der Kollision in der Zeit zurückgeht! Wie so oft in der modernen Physik funktioniert diese Gleichung, aber ihre Konsequenzen ergeben keinen Sinn. Materie braucht keinen Antipoden, und der umgekehrte Zeitverlauf untergräbt die Ursache-Wirkungs-Grundlagen der Physik. Antimaterie ist eine der mysteriösesten Entdeckungen der modernen Physik.

Quantenrealismus

Wenn Materie das Ergebnis der Verarbeitung ist und die Verarbeitung eine Reihenfolge von Bedeutungen festlegt, folgt daraus, dass diese Bedeutungen umgekehrt werden können, wodurch eine Anti-Verarbeitung entsteht. Vor diesem Hintergrund ist Antimaterie ein unvermeidliches Nebenprodukt der Materie, die bei der Verarbeitung entsteht. Wenn Zeit der Abschluss primärer Zyklen der Materieverarbeitung ist, ist sie für Antimaterie der Abschluss sekundärer Zyklen, was bedeutet, dass sie in die entgegengesetzte Richtung verläuft. Materie hat einen Antipoden, weil die Verarbeitung, die sie erzeugt, reversibel ist, und Antizeit existiert aus demselben Grund. Nur die virtuelle Zeit kann rückwärts gehen.

Doppelspaltexperiment

Physischer Realismus

Vor mehr als 200 Jahren führte Thomas Young ein Experiment durch, das die Physiker immer noch verblüfft: Er ließ Licht durch zwei parallele Schlitze, um auf einem Bildschirm ein Interferenzmuster zu erzeugen. Dies können nur Wellen, daher muss ein Lichtteilchen (selbst ein einzelnes Photon) eine Welle sein. Licht kann aber auch als Punkt auf den Bildschirm treffen, was nur dann möglich ist, wenn das Photon ein Teilchen ist.

Um dies zu testen, schickten Physiker ein einzelnes Photon durch Youngs Schlitze. Ein Photon erzeugte den erwarteten Auftreffpunkt des Teilchens, doch bald richteten sich die Punkte in einem Interferenzmuster auf. Der Effekt ist zeitunabhängig: Ein Photon, das durch die Spalte geht, erzeugt jedes Jahr das gleiche Bild. Kein Photon weiß, wo das vorherige gelandet ist. Wie erscheint also das Interferenzmuster? An jedem Spalt angebrachte Detektoren verschwenden nur Zeit – das Photon passiert entweder den einen oder den anderen Spalt, niemals beide. Die Natur verspottet uns: Wenn wir nicht hinsehen, ist ein Photon eine Welle, wenn wir hinschauen, ist es ein Teilchen.

Die moderne Physik nennt dieses Geheimnis Welle-Teilchen-Dualität, ein „zutiefst seltsames“ Phänomen, das nur durch esoterische Gleichungen nicht existierender Wellen erklärt werden kann. Allerdings wissen wir vernünftigen Menschen, dass sich Punktteilchen nicht wie Wellen fortbewegen können und dass Wellen keine Teilchen sein können.

Quantenrealismus

Die Quantentheorie erklärt Youngs Experiment als fiktive Wellen, die durch beide Schlitze laufen, interferieren und dann zu einem Punkt auf dem Bildschirm zusammenfallen. Es funktioniert, aber Wellen, die nicht existieren, können nicht erklären, was existiert. Im Quantenrealismus kann sich das Programm eines Photons als Welle durch ein Netzwerk ausbreiten und dann von vorne beginnen, wenn ein Knoten wie ein Teilchen überlastet und neu gestartet wird. Was wir physikalische Realität nennen, ist eine Reihe von Resets, die sowohl Quantenwellen als auch Quantenkollaps erklären.

Dunkle Energie und dunkle Materie

Physischer Realismus

Die moderne Physik beschreibt die Materie, die wir sehen, aber es gibt auch fünfmal mehr der sogenannten Dunklen Materie im Universum. Es kann als Halo um das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie erkannt werden, der Sterne stärker aneinander bindet, als es ihre Schwerkraft zulässt. Es ist keine Materie, die wir sehen können, weil das Licht sie nicht aufnimmt; es ist keine Antimaterie, weil es keine Gammastrahlensignatur hat; Es ist kein Schwarzes Loch, weil es keinen Gravitationslinseneffekt gibt – aber ohne dunkle Materie würden die Sterne in unserer Galaxie wegfliegen.

Keine bekannten Teilchen beschreiben Dunkle Materie – hypothetische Teilchen, die als schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs) bekannt sind, wurden vorgeschlagen, aber trotz umfangreicher Suche wurde nie eines gefunden. Darüber hinaus bestehen 70 % des Universums aus dunkler Energie, was die Physik ebenfalls nicht erklären kann. Dunkle Energie ist eine Art negative Schwerkraft, ein schwacher Effekt, der Dinge auseinander drückt und die Expansion des Universums beschleunigt. Mit der Zeit ändert sich nicht viel, aber etwas, das im expandierenden Raum schwebt, sollte mit der Zeit schwächer werden. Wenn dies eine Eigenschaft des Raums wäre, würde sie mit der Ausdehnung des Raums zunehmen. Im Moment hat niemand die geringste Ahnung, was dunkle Energie ist.

Quantenrealismus

Wenn der leere Raum keine Verarbeitung durchführt, also „Ruhezustand“ ist, ist er nicht leer, und wenn er sich ausdehnt, wird der leere Raum ständig hinzugefügt. Neue Verarbeitungspunkte akzeptieren per Definition Eingaben, erzeugen jedoch keine Ausgaben. Sie absorbieren also, geben sie aber nicht ab, genau wie der negative Effekt, den wir dunkle Energie nennen. Wenn mit konstanter Geschwindigkeit neuer Raum hinzugefügt wird, wird sich der Effekt im Laufe der Zeit nicht wesentlich ändern, sodass dunkle Energie auf die kontinuierliche Schaffung von Raum zurückzuführen ist. Der Quantenrealismus legt nahe, dass Teilchen, die dunkle Energie und dunkle Materie erklären könnten, nicht entdeckt werden.

Tunnelnde Elektronen

Physischer Realismus

In unserer Welt kann ein Elektron plötzlich aus einem Gaußschen Feld springen, das es nicht durchdringen kann. Dies kann mit einer Münze in einer vollständig verschlossenen Glasflasche verglichen werden, die plötzlich außerhalb der Flasche auftaucht. In einer rein physischen Welt ist das einfach unmöglich, aber in unserer ist es durchaus möglich.

Quantenrealismus

Die Quantentheorie legt nahe, dass ein Elektron das oben Genannte zufällig tun sollte, da sich eine Quantenwelle unabhängig von physikalischen Barrieren ausbreiten kann und das Elektron an jedem Punkt der Welle plötzlich zusammenbrechen kann. Jeder Zusammenbruch ist ein Bild des Films, den wir physische Realität nennen, mit der Ausnahme, dass das nächste Bild nicht festgelegt ist, sondern auf Wahrscheinlichkeiten basiert. Ein Elektron, das durch ein undurchdringliches Feld „tunnelt“, ist wie ein Film, der den Blick auf den Schauspieler verbirgt, der das Haus draußen verlässt.

Es mag seltsam erscheinen, aber die gesamte Quantenmaterie bewegt sich durch Teleportation von einem Zustand in einen anderen. Wir sehen eine physikalische Welt, die unabhängig von unserer Beobachtung existiert, doch in der Quantentheorie beschreibt der Beobachtereffekt die Wirkung einer Spielansicht: Beim Blick nach links entsteht eine Ansicht, beim Blick nach rechts eine andere. In Bohms Theorie leitet eine geisterhafte Quantenwelle das Elektron, aber in der Theorie, die wir betrachten, ist das Elektron die geisterhafte Welle. Der Quantenrealismus löst das Quantenparadoxon, indem er die Quantenwelt real und die physische Welt zu einem Produkt davon macht.

Quantenverschränkung

Physischer Realismus

Wenn ein Cäsiumatom zwei Photonen in unterschiedliche Richtungen aussendet, „verschränken“ sie die Quantentheorie, sodass sich das eine nach oben dreht, während das andere nach unten dreht. Aber wenn einer versehentlich umkippt, wie kann der andere dann aus beliebiger Entfernung sofort davon erfahren? Für Einstein war die Entdeckung, dass die Messung des Spins eines Photons sofort den Spin eines anderen Photons bestimmt, wo immer es sich im Universum befinden mag, „eine unheimliche Aktion aus der Ferne“. Die experimentelle Überprüfung hiervon war eines der gründlichsten und genauesten Experimente überhaupt in der Geschichte der Wissenschaft, und die Quantentheorie hatte wieder Recht. Die Beobachtung eines verschränkten Photons führt dazu, dass ein anderes Photon den entgegengesetzten Spin erhält – selbst wenn es zu weit entfernt ist, als dass das Lichtsignal es darauf aufmerksam machen könnte. Die Natur konnte von Anfang an dafür sorgen, dass der Spin eines Photons nach oben und der des anderen nach unten geht, aber das war offenbar zu schwierig. Daher ließ sie zu, dass der Spin des einen Photons eine beliebige Richtung wählte, so dass, wenn wir ihn messen und einen bestimmen, sich der Spin des anderen Photons sofort in die entgegengesetzte Richtung ändert, obwohl dies physikalisch unmöglich erscheint.

Quantenrealismus

Aus dieser Sicht verschränken sich zwei Photonen, wenn ihre Programme kombiniert werden, um zwei Punkte zusammenzutreiben. Wenn ein Programm für den Top-Spin und ein anderes für den Bottom-Spin verantwortlich ist, ist die Kombination dieser beiden Programme für beide Pixel verantwortlich, wo auch immer sie sich befinden. Ein physikalisches Ereignis an jedem Pixel startet das Programm zufällig neu und ein anderes Programm reagiert entsprechend. Dieser Neuzuordnungscode ignoriert Entfernungen, da der Prozessor nicht zu einem Pixel gehen muss, um ihn zum Umdrehen aufzufordern, selbst wenn der Bildschirm so groß ist wie das Universum selbst.

Standardmodell Die Physik umfasst 61 fundamentale Teilchen mit etablierten Ladungs- und Massenparametern. Wenn es eine Maschine wäre, hätte sie Dutzende Hebel, um jedes Teilchen abzufeuern. Für den Betrieb wären außerdem fünf unsichtbare Felder erforderlich, die 14 virtuelle Teilchen mit 16 verschiedenen „Ladungen“ erzeugen. Dies mag wie ein Komplettpaket erscheinen, aber das Standardmodell kann Schwerkraft, Protonenstabilität, Antimaterie, Quarkveränderungen, Neutrinomasse oder -spin, Inflation oder Quantenzufälligkeit nicht erklären – und das sind sehr wichtige Fragen. Ganz zu schweigen von der dunklen Materie und den dunklen Energieteilchen, aus denen der größte Teil des Universums besteht.

Der Quantenrealismus interpretiert die Gleichungen der Quantentheorie im Hinblick auf ein Netzwerk und ein Programm neu. Seine Grundannahme ist, dass die physische Welt das Ergebnis der Verarbeitung ist, aber das macht sie nicht weniger real – wir sehen sie einfach nicht. Die Theorie legt nahe, dass Materie als stabile Quantenwelle aus Licht hervorgegangen ist, was bedeutet, dass der Quantenrealismus nahelegt, dass Licht im Vakuum bei Kollision Materie erzeugen kann. Das Standardmodell besagt, dass Photonen nicht kollidieren können, daher ist ein radikaler experimenteller Ansatz erforderlich, um die virtuelle Realität unserer Welt zu testen. Wenn Licht im Vakuum bei Kollision Materie erzeugt, wird das Modell der Elementarteilchen durch ein Modell der Informationsverarbeitung ersetzt.

Als Referenz: Brian Whitworth, der Schöpfer der Theorie des Quantenrealismus, hat einen detaillierten Leitfaden zu den Begriffen hinterlassen. Wenn Sie also Fragen haben, stellen Sie sie. Ich werde versuchen, sie auf der Grundlage seiner Materialien zu beantworten.

Wie Sie sich aus der Physik an der High School erinnern, besteht alle Materie aus Molekülen.

Wenn wir ein physikalisches Objekt nehmen und es so lange teilen, bis es nicht mehr möglich ist, das verbleibende Teilchen erneut zu teilen, erhalten wir am Ende das kleinste Element dieses Objekts, das unteilbare Teilchen.

Bei den meisten Objekten handelt es sich um ein Molekül, bei einigen reinen Substanzen ist das kleinste unteilbare Teilchen jedoch ein Atom.

Stoffe, die aus identischen Atomen bestehen, werden chemische Elemente genannt. Wenn Atome dieser Elemente miteinander verbunden werden, können andere Stoffe „erschaffen“ werden. Wasser beispielsweise kann nur in Moleküle zerlegt werden, die aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom bestehen. Wenn man Wasser in Atome zerlegt, hört es auf, Wasser zu sein, und wird zu Sauerstoff und Wasserstoff.

Moleküle und bis zu einem gewissen Grad auch Atome verhalten sich logisch und „richtig“ – gemäß den Regeln der klassischen Wissenschaft, der Wissenschaft des 19. Jahrhunderts und des „gesunden Menschenverstandes“.

Aber Wissenschaftler haben immer versucht zu verstehen, woraus die Atome selbst bestehen, und hier beginnen die Probleme, und hier trennen sich die Wege der logischen Wissenschaft und die Möglichkeiten unserer Wahrnehmung und Vorstellungskraft. Sobald wir beginnen, das Verhalten von Objekten zu beobachten, die kleiner als Atome sind, passieren seltsame Dinge.

„Kleine Kuriositäten“

Als Forscher begannen, mit den Objekten zu experimentieren, aus denen Atome bestehen, mussten sie nach einem völlig neuen physikalischen Ansatz suchen. Sie nannten die neue Richtung Quantenphysik, weil die Ergebnisse ihrer Experimente keine Ähnlichkeit mit dem hatten, was nach den Gesetzen der Physik zu erwarten war, die man klassisch nennt. Die Quantenphysik hat phänomenale Fortschritte bei der Vorhersage des Verhaltens von Teilchen gemacht und ist zur Grundlage vieler moderner Technologien geworden.

Das Wort „Quantum“ kommt vom lateinischen „quantum“ – „wie viel“ und bedeutet in der Physik einen unteilbaren Teil von etwas. Materieblöcke sind winzige Materieteilchen. Subatomare Teilchen haben die Eigenschaften sowohl von Festkörperteilchen als auch von Wellen.

Eine der seltsamsten Entdeckungen der Quantenphysik ist, dass sich diese Teilchen immer „unbekannt wo“ befinden. Es ist unmöglich, die Koordinaten und den Impuls eines Elementarteilchens im Raum zu einem bestimmten Zeitpunkt absolut genau zu bestimmen.

Dies ist die Heisenbergsche Unschärferelation, eines der Grundprinzipien der Quantenmechanik. Es mag den Anschein haben, dass das alles völliger Unsinn ist, aber es ist dennoch so. Und damit ist die Verrücktheit noch nicht zu Ende.

Lichtteilchen – Photonen, die auf ein Hindernis fallen, in dem sich zwei eng beieinander liegende vertikale Schlitze befinden, tun dasselbe – jedes Teilchen durchquert beide Schlitze gleichzeitig.

Das gleiche Experiment kann mit Licht durchgeführt werden. Licht dringt durch einen Schlitz in der Barriere. Am Ausgang stößt er auf eine zweite Barriere, in die zwei Schlitze eingearbeitet sind.

Am Ausgang jedes Lochs auf der anderen Seite entsteht ein neues Wellenmuster. Sofort beginnen die beiden Wellen miteinander zu interferieren.

Hinter der zweiten Barriere ist ein Bildschirm installiert. Wenn Licht auf diesen Bildschirm trifft, erscheint ein Bild aus hellen und dunklen Streifen. Diese Bänder werden Interferenzstreifen genannt. Sie entsprechen Regionen, in denen sich Lichtwellen addieren (konstruktive Interferenz) und Regionen, in denen sich Wellen gegenseitig aufheben (destruktive Interferenz).

Im Jahr 1800 bewies der englische Wissenschaftler Thomas Young mit diesem Experiment, dass Licht nicht aus festen Teilchen besteht, sondern eine Welle ist, die sich durch die Luft bewegt, ähnlich einer Welle, die sich über die Wasseroberfläche bewegt. Aber es stellte sich sofort eine ernste Frage:

Wie bewegt sich Licht im Vakuum?

Naturgemäß kann sich eine Welle nicht nur ausbreiten, sondern auch ohne Medium nicht existieren. Licht und seine Variationen, wie etwa Wärme, können sich jedoch durch ein Vakuum bewegen.

Um zu erklären, wie Sonnenlicht und Wärme durch Millionen von Kilometern leeren Weltraums wandern und die Erde erreichen, wurde vermutet, dass der Weltraum mit einer noch unbekannten Substanz gefüllt sei – sie wurde Äther genannt. Es wurde angenommen, dass diese mysteriöse Substanz als Transportmedium für Wellen im Vakuum diente.

Dann wurden einige andere Eigenschaften des Lichts entdeckt, die nicht in die Wellentheorie passten. Der photoelektrische Effekt wurde zu einem besonderen Thema. Es wurde festgestellt, dass Licht, das auf einen festen Gegenstand fällt, Elektronen von seiner Oberfläche abstößt.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts interessierte sich Albert Einstein für die Natur des Lichts und verfasste 1905 eine Arbeit, die ihm später den Nobelpreis für Physik einbrachte.

Er erklärte den photoelektrischen Effekt sehr einfach: Elektronen werden durch die Wirkung bestimmter Lichtteilchen herausgeschlagen, und er nannte diese Teilchen Photonen. Und die Teilchen benötigen kein Medium (Äther) und können sich im Vakuum frei bewegen.

Einsteins Theorie wurde anschließend experimentell bewiesen: Licht besteht tatsächlich aus Teilchen. Die Wissenschaft erreichte bald einen Punkt, an dem Wissenschaftler einzelne Photonen isolieren und Experimente mit ihnen durchführen konnten.

Allerdings hatte das Verhalten des Lichts auch Wellencharakter. Licht schien gleichzeitig feste Materieteilchen und Wellen zu sein. Hier stimmte etwas nicht. Um dieses Paradoxon zu verstehen, mussten Wissenschaftler das Doppelspaltexperiment noch einmal wiederholen und dabei die damals modernsten Messgeräte und Detektoren verwenden.

Es wurden mehrere Variationen dieses Experiments durchgeführt und die Ergebnisse zeigten, dass die Realität viel mysteriöser ist, als wir uns vorstellen können.

Nehmen wir an, dass ein Photon auf ein Hindernis trifft, in dem zwei Schlitze entstehen. Um auf die andere Seite der Barriere zu gelangen, muss das Photon eines von zwei Löchern passieren.

Um ein so kleines Lichtteilchen zu registrieren, benötigen Sie eine hochempfindliche Fotoplatte, die auf der anderen Seite des Hindernisses installiert wird.

Jedes Photon, das die Oberfläche der Fotoplatte erreicht, erscheint darauf als weißer Fleck. Wenn Tausende und dann Millionen von Photonen die Platte erreichen, beginnt ein bestimmtes Bild zu erscheinen.

Es ist logisch anzunehmen, dass die Platte gegenüber jedem Loch ein Bild von zwei weißen runden Flecken aufweist. Aber tatsächlich bekommen wir wieder Interferenzstreifen! Jedes Teilchen passiert ein Loch, aber wenn es durch den Spalt geht, scheint etwas mit ihm zu interagieren und ein unerwartetes Interferenzmuster zu bilden.

Den Physikern bleibt nur eine mögliche Schlussfolgerung: Das Photon wird als Teilchen emittiert und erreicht als Teilchen die Platte, auf seinem Weg scheint es jedoch durch beide Löcher zu gehen. Anschließend wird es zusammen mit anderen Photonen auf eine Fotoplatte gelegt, um ein perfektes Muster aus hellen und dunklen Streifen zu bilden.

Es bleibt ein Rätsel, wie ein Photon es schafft, beide Löcher gleichzeitig zu passieren und woher „weiß“ es, wo es dann auf der Fotoplatte positioniert werden soll?

Licht: sowohl Welle als auch Teilchen

Der Physiker Ralph Bayerlein versuchte den ersten Teil dieser Frage folgendermaßen zu beantworten: Licht breitet sich als Welle aus, zerfällt dann und gelangt als Teilchen an die Oberfläche.

Aber Licht hat keine Masse und seltsamerweise auch kein Volumen. Lichtteilchen (oder Lichtwellen) bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit und müssen daher außerhalb von Zeit und Raum existieren. Um „im Weltraum“ zu sein, muss ein Objekt Masse haben. Licht hat es nicht.

Um „in der Zeit“ zu sein, muss ein Objekt durch die Zeit reisen. Bei Lichtgeschwindigkeit dehnt sich die Zeit jedoch so stark aus, dass sie tatsächlich stehen bleibt. Das bedeutet, dass Licht außerhalb der Zeit existiert.

Noch komplizierter wird es, wenn wir bedenken, dass Licht nur der Teil des elektromagnetischen Spektrums ist, der mit bloßem Auge sichtbar ist. Elektromagnetische Strahlung hat keine physikalische Hülle, sie existiert einfach.

Licht ist ein seltsames Phänomen. Aber Atome, egal wie „leer“ sie auch sein mögen, sind letztlich feste Teilchen, die im Gegensatz zu Licht nicht durch eine solche Spaltung gekennzeichnet sind. Oder ist es inhärent? Überraschenderweise haben Wissenschaftler bereits herausgefunden, dass Elektronen und Atome dem Licht insofern ähneln, als sie sich manchmal wie feste Teilchen und manchmal wie nichtphysikalische Wellen verhalten.

1987 kamen japanische Wissenschaftler der Hitachi Research Laboratories und der Gakushuin-Universität zu dem Schluss, dass Elektronen die gleiche Dualität aufweisen. Dies ist eine zweifelhafte Behauptung, da Elektronen unglaublich klein sind und niemand sie jemals gesehen oder fotografiert hat. Aber Atome sind eine andere Sache. Die Größten lassen sich fotografieren, und es ist klar, dass sie im wahrsten Sinne des Wortes hart sind.

Der erste Wandel in der Sicht auf die Realität erfolgte Anfang der 1990er Jahre, als Wissenschaftler der Deutschen Universität Konstanz nachwiesen, dass sich Atome auch wie eine Welle fortbewegen und wie Teilchen interagieren.

Und 1999 wurde das scheinbar Unmögliche entdeckt: Anton Zeilinger von der Universität Wien wies nach, dass Buckyballs – kugelförmige Hohlmoleküle bestehend aus 60 Kohlenstoffatomen – gleichzeitig zwei parallele Schlitze passieren können.

Was bedeutet das alles?

Nehmen wir an, der Stuhl, auf dem Sie gerade sitzen, besteht nicht nur aus riesigen leeren Flächen. Seine Integrität hängt davon ab, ob die Atome den Zustand fester Teilchen oder nichtphysikalischer Wellen wählen. Warum treffen sie diese Wahl? Die Antwort ist einfach, aber sie raubt einem den Atem.

Ihr Geist ist der Faktor, der das Atom von einer nichtphysischen Welle in ein festes Materieteilchen umwandelt, indem er die Nervensignale verarbeitet, die von Ihrem Gesäß ausgehen. Der Wahrnehmungsakt eines bewussten Wesens bewirkt die physische Existenz der Materie!

Es gibt auch alarmierende Informationen: Aktuelle Experimente haben gezeigt, dass dies nicht nur bei Atomen, sondern auch bei Molekülen geschieht. Atome und Moleküle sind die Grundbausteine, aus denen alles, was wir wahrnehmen, aufgebaut ist. Sogar Sie selbst bestehen aus Billionen dieser Teilchen.

Aber wenn sie sich so seltsam verhalten, warum nehmen wir dann feste Objekte wahr, die den Gesetzen der klassischen Physik unterliegen? Durch welches Wunder wurde der Wahnsinn eines Mannes zur kollektiven Vernunft? Nach der unter modernen Physikern verbreiteten Ansicht ist es der Akt der Beobachtung, der dazu führt, dass sich Teilchen auf diese Weise verhalten.

Kopenhagener Interpretation

Diese Schlussfolgerung ist als Kopenhagener Interpretation bekannt, weil die Begründer der Quantentheorie in der dänischen Hauptstadt lebten. Eine Gruppe von Forschern unter der Leitung des großen Physikers Niels Bohr stellte die Theorie auf, dass wir diese Teilchen durch die Wahrnehmung dazu zwingen, zu entscheiden, wo sie sich befinden.

Bevor die Teilchen beobachtet werden, werden sie in eine sogenannte „Wahrscheinlichkeitswelle“ ausgewaschen und können sich dadurch an mehreren Orten gleichzeitig aufhalten. Wenn ein Beobachtungsvorgang stattfindet, sind die Teilchen gezwungen, einen Ort aus allen anderen möglichen Orten auszuwählen.

Nach der Kopenhagener Interpretation können Teilchen ohne Beobachtung beide Schlitze der Barriere passieren. Sobald der Experimentator ein Messgerät einschaltet, wird das Teilchen gezwungen, durch einen Spalt zu passieren.

Mit anderen Worten: Wenn der Makrokosmos diese Teilchen beobachtet, sind sie gezwungen, ihr Quantenverhalten in das „klassische“ Verhalten der makrokosmischen Skala zu ändern.

Atome werden gezwungen, sich „normal“ zu verhalten, sobald sie sich zu Bäumen, Stühlen oder Büchern verbinden. Dieser Beobachtungsvorgang wird üblicherweise als Kollaps der Wellenfunktion bezeichnet, da die Welle im Moment der Beobachtung zu einem Teilchen wird. Und ohne Beobachtung ist ein Objekt gleichzeitig ein Teilchen und eine Welle. Dieser Zustand wird Superposition genannt.

Ohne Beobachtung bleiben die Teilchen in der Wahrscheinlichkeitswelle und haben nicht die Möglichkeit, den einen oder anderen Ort zu wählen. Der Beobachter zerstört die Wellenfunktion, was zur Entstehung von Materie führt. Kein Beobachter – egal.

Es stellt sich heraus, dass eine der wichtigsten Fragen nun ist, was einen „Beobachter“ ausmacht. Muss er ein bewusstes Wesen sein oder reicht ein sinnloses Messgerät aus? Einige Wissenschaftler sind der Meinung, dass man zum Beobachten wahrnehmen muss, und dazu ist Bewusstsein erforderlich. Was passiert dann mit Objekten, die nicht beobachtet werden können? Zum Beispiel mit einem Stein auf dem Mond?

Für religiöse Menschen stellt die Kopenhagener Interpretation nicht nur kein Problem dar, sondern steht im Gegenteil im Einklang mit dem Glauben. Nur Gott ist in der Lage, alles zu beobachten, und deshalb garantiert er selbst, dass alles um ihn herum existiert.

Dennoch akzeptierten viele Wissenschaftler die in Kopenhagen gezogene Schlussfolgerung nicht – für viele erwies sie sich als schlicht inakzeptabel.

⚓ Suchen Sie nach alternativen Standpunkten

In der Entwicklungsgeschichte der Physik gab es viele Revolutionen, die das wissenschaftliche Paradigma und die Ansichten der Wissenschaftler über Erkenntnismethoden und die Struktur der Welt radikal veränderten. Was der Naturwissenschaft im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts widerfuhr, war jedoch keine weitere Änderung grundlegender Gesetze. War früher alles in der Welt um uns herum vorhersehbar, so wurde es mit dem Aufkommen der Quantenmechanik zufällig.

Quantum bedeutet diskret

In der klassischen Physik von Newton, Galileo und sogar Einstein gab es eine bemerkenswerte Eigenschaft: Alle physikalischen Größen konnten nicht nur gemessen, sondern auch ihre späteren zeitlichen Änderungen mit beliebiger Genauigkeit berechnet werden. Das Verhalten jedes noch so komplexen Systems und die Bewegung von Körpern beliebiger Masse und Größe waren im Prinzip vorhersehbar. Die Quantenmechanik schlug ein grundlegend anderes System von Gesetzen vor, die die Welt regieren. Die ersten von ihr untersuchten Mikroobjekte – Atome, Elektronen und Photonen, die sich grundsätzlich nicht wie klassische verhalten wollten – zwangen die Physiker, die Methoden zur Beschreibung natürlicher Phänomene radikal zu ändern.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts traten in der klassischen Naturwissenschaft große Schwierigkeiten bei der Erklärung einer Reihe von Phänomenen auf, die von der diskreten Natur optischer Spektren und der Struktur des Atoms bis hin zur Wärmestrahlung von Körpern und dem äußeren photoelektrischen Effekt reichten. Das Verständnis, dass die Mikrowelt nach besonderen Gesetzen lebt, entwickelte sich allmählich und unter großen Schwierigkeiten, da diese Gesetze sehr ungewöhnlich waren.

Die klassische Physik operierte mit Größen, die sich gleichmäßig und kontinuierlich ändern konnten und beliebig nahe beieinander liegende Werte annehmen konnten. Ein Versuch einer solch klassischen Herangehensweise an die Welt der Atome und Elementarteilchen scheiterte, und Wissenschaftler mussten einen neuen entwickeln – die Quantenmechanik, die die besondere Welt der mikroskopischen Teilchen und Energieänderungen angemessen beschreibt. In der neuen Theorie gibt es vieles Ungewöhnliches, und die Quantenwelt zeichnet sich dadurch aus, dass sich ihre Eigenschaften nur auf diskrete Weise ändern und eine Reihe fester Werte annehmen können.

Quantenportionen

Eines der ersten Probleme, die die Einführung eines Energiequants erforderten, war die Betrachtung der Koexistenz von Teilchen und Feldern und die Aufstellung einer Theorie der Wärmestrahlung. Diese Strahlung ist nicht nur unter der strahlenden Sommersonne zu spüren, sondern auch, wenn man die Hand an eine gewöhnliche Glühbirne oder ein heißes Bügeleisen hält. Versuche, solche Alltagsphänomene im Rahmen der klassischen Theorie zu erklären, erwiesen sich jedoch als unhaltbar.

Im Jahr 1900 betrachteten John Rayleigh und James Jeans unter Verwendung der klassischen Theorie einen erhitzten Körper, in dem das elektromagnetische Feld (Wellen) im thermischen Gleichgewicht mit den Teilchen stand. Es stellte sich heraus, dass in diesem Fall das Feld den Teilchen ihre gesamte Energie entzieht. Somit führte die klassische Theorie zu einem bedeutungslosen Ergebnis: Ein erhitzter Körper, der durch Wellenstrahlung kontinuierlich Energie verliert, muss auf den absoluten Nullpunkt abkühlen. Dieses physikalisch absurde Ergebnis wurde „Ultraviolettkatastrophe“ genannt. In Wirklichkeit passiert so etwas natürlich nicht. Beobachtungen haben gezeigt, dass bei hohen Frequenzen die Strahlungsenergie nicht unbegrenzt ansteigt, sondern auf Null absinkt. Die maximale Strahlung bei einer festen Temperatur tritt bei einer bestimmten Frequenz oder Farbe auf.

Beispiele hierfür sind die rote Farbe eines glühenden Schürhakens (Temperatur ca. 1.000 K) oder die gelb-weiße Farbe der Sonne (ca. 6.000 K).

Die scheinbar private Frage der Emission elektromagnetischer Wellen durch erhitzte Körper hat grundlegende Bedeutung erlangt. Die klassische Theorie führte zu Ergebnissen, die der Erfahrung in krassem Widerspruch standen. Um eine Übereinstimmung zwischen Theorie und Erfahrung zu erreichen, musste Max Planck im Jahr 1900 nur in einem Punkt vom klassischen Ansatz abweichen. Er nutzte die Hypothese, dass die Strahlung eines elektromagnetischen Feldes nur in getrennten Anteilen – Quanten – auftreten kann. Die von Planck angenommene Hypothese widersprach der klassischen Physik, aber seine Theorie der Wärmestrahlung stimmte hervorragend mit dem Experiment überein.

Compton-Effekt

Der Stoff kann elektromagnetische Wellen nicht nur aussenden, sondern auch absorbieren. Auch der auf klassischen Konzepten basierende Absorptionsprozess erwies sich als nicht ganz klar. Bereits zu Beginn des letzten Jahrhunderts wussten sie, wie man elektrische Vakuumlampen herstellt und wussten, dass Elektronen emittiert werden, wenn die Kathode mit dem Licht einer solchen Lampe beleuchtet wird. Dieses Phänomen wurde als externer photoelektrischer Effekt bezeichnet. Alle Versuche, es auf der Grundlage der klassischen Theorie zu beschreiben, in der Licht als elektromagnetische Welle betrachtet wurde, waren erfolglos. Die Haupteigenschaft des photoelektrischen Effekts – die Tatsache, dass die Energie der emittierten Elektronen nur durch die Frequenz des einfallenden Lichts bestimmt wird und nicht von seiner Intensität abhängt – konnte nicht erklärt werden.

Im Jahr 1905, fünf Jahre nach der Veröffentlichung von Max Plancks Werk, wurde die Quantenhypothese zur Erklärung des photoelektrischen Effekts herangezogen. Aus der Tatsache, dass Licht, wie Planck gezeigt hat, in Portionen (Quanten) emittiert wird, ergibt sich nicht die diskrete (portionierte) Struktur des Lichts selbst. Albert Einstein schlug vor, dass sich die Diskretion (in Portionen unterteilt) der Strahlung nicht nur bei der Emission, sondern auch bei der Absorption und Ausbreitung elektromagnetischer Wellen manifestieren sollte.

Unter dem Druck experimenteller Fakten waren Wissenschaftler gezwungen, das Konzept des Lichts als Teilchenstrom einzuführen. Doch Anfang des 19. Jahrhunderts bewies Thomas Young experimentell die Wellennatur des Lichts, und Ende des 19. Jahrhunderts begründete James Maxwell theoretisch, dass es sich bei Licht um Wellen, also Schwingungen des elektromagnetischen Feldes, handelt. Wie kann Licht gleichzeitig Teilchen und Wellen sein? Schließlich scheinen sowohl das Teilchen als auch die Welle völlig unterschiedlich zu sein. Dennoch deuten einige experimentelle Fakten eindeutig darauf hin, dass Licht ein Teilchenstrom ist, während andere darauf hinweisen, dass es sich bei Licht um Wellen handelt. Es entstand ein logischer Widerspruch: Um einige Phänomene zu erklären, musste Licht als Wellen beschrieben werden, andere als Teilchen.

Es stellte sich also heraus, dass die Begriffe „Teilchen“ und „Welle“ nur bedingt die Realität widerspiegeln. Die Entdeckung der Dualität (Dualismus) der Lichteigenschaften war bei der Entstehung der neuen Physik von großer Bedeutung. Es waren Versuche, diesen Dualismus zu erklären, die zur modernen Quantentheorie führten.

Der endgültige Beweis für die Existenz von Lichtquanten gelang 1922 dem amerikanischen Physiker Arthur Compton. Sein Experiment zeigte, dass die Lichtstreuung durch freie Elektronen nach den Gesetzen der elastischen Kollision zweier Teilchen – eines Photons und eines Elektrons – erfolgt. Dieses Phänomen wird heute Compton-Effekt genannt.

Instabiles Atom

Die alten Griechen sprachen von der Existenz minimaler, weiter unteilbarer Materieteilchen. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts zweifelte fast kein Wissenschaftler an der Realität der Atome, aber es war nicht klar, wie sie aufgebaut waren und woraus sie bestanden. Es gab viele verschiedene Hypothesen, aber erst 1911, nach den Experimenten des englischen Physikers Ernest Rutherford zum Beschuss von Goldatomen mit Alphateilchen, wurde das Planetenmodell des Atoms geboren. Nach diesem Modell befand sich im Zentrum des Atoms, ähnlich einer kleinen Sonne, der Kern. Elektronen, die von elektromagnetischen Kräften gehalten werden, kreisen ähnlich wie Planeten um den Kern. Das Planetenmodell ermöglichte es, die Ergebnisse der Experimente zu erklären, die Tatsache der Existenz des Atoms blieb jedoch unklar. Nach der klassischen Theorie sollte ein in einem Atom rotierendes Elektron elektromagnetische Wellen aussenden. Strahlung geht mit einem Energieverlust einher. Unter Energieverlust muss das Elektron schließlich auf den Kern fallen und das Atom muss aufhören zu existieren.

Ein Ausweg aus dieser „Sackgasse“ wurde 1913 vom dänischen Physiker Niels Bohr vorgeschlagen. In seinem Modell betrachtete Bohr Elektronen als klassische Teilchen, die sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes um einen kleinen massiven Kern bewegen. Entgegen den Gesetzen der klassischen Physik ging Bohr jedoch von der Existenz stationärer (zeitinvarianter) Zustände im Atom aus, denen jeweils eine bestimmte Energie entspricht. Im stationären Zustand emittiert das Elektron nicht. Die Emission und Absorption von Licht erfolgt nur, wenn ein Atom von einem Zustand in einen anderen wechselt.

Broglie-Wellen-Hypothese

Zunächst wurde nur dem Licht eine so seltsame Eigenschaft zugeschrieben – sowohl eine Welle als auch ein Teilchen zu sein. Materie wurde als ein System gewöhnlicher Punktteilchen betrachtet. Im Jahr 1923 stellte Louis de Broglie die Hypothese auf, dass der Welle-Teilchen-Dualismus universell sei. Nach dieser Annahme haben nicht nur Photonen, sondern auch Elektronen sowie alle anderen Teilchen Welleneigenschaften. Und das gilt sowohl für mikroskopisch kleine Atome und Moleküle als auch für alle anderen makroskopischen Objekte, die uns umgeben.

Das Hauptmerkmal von Wellen ist ihre Fähigkeit zur Interferenz, also zur Addition und Subtraktion. Mit anderen Worten: Wenn ein Stoff Welleneigenschaften hat, dann sollten für ihn die Phänomene der Beugung (Wellen, die sich um Hindernisse herum biegen, die auf dem Weg stoßen) und der Interferenz (Addition und Subtraktion von Wellen) beobachtet werden.

Direkte experimentelle Beweise dafür, dass Elektronen beugen und interferieren können, wurden 1927 in den Experimenten von Clinton Davisson und Lester Jemer sowie unabhängig davon in den Experimenten von George Thomson erhalten. Derzeit beobachten Experimentatoren die Interferenz anderer Teilchen, sogar Moleküle. So wurde im Jahr 2003 erstmals am Institut für Experimentalphysik der Universität Wien die Quanteninterferenz organischer Moleküle biologischen Ursprungs C4444H3 0N4 mit 44 Kohlenstoffatomen, 30 Wasserstoffatomen und 4 Stickstoffatomen entdeckt. Im Zusammenhang mit diesen Experimenten stellt sich die Frage: Ist eine Quanteninterferenz von Lebewesen möglich?

Nachdem de Broglie die Hypothese über die Universalität der Welle-Teilchen-Dualität und die experimentelle Bestätigung des Vorhandenseins von Welleneigenschaften in Materieteilchen aufgestellt hatte, traten neue grundlegende Probleme auf. Es wurde notwendig, die Wellennatur von Teilchen mit den üblichen Vorstellungen über die Platzierung (Lokalisierung) von Teilchen im Raum zu kombinieren.

Vorhersehbare Psi-Funktion

Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich Quantenobjekte deutlich von klassischen. Dieser Unterschied ist deutlich sichtbar, wenn ein Teilchenstrahl durch einen Schirm mit zwei Schlitzen fällt. Wenn klassische Teilchen in Schlitze fliegen, passieren sie offensichtlich jeweils nur einen Spalt, und auf dem Bildschirm sind zwei unabhängige Aufprallbereiche der fliegenden Teilchen deutlich zu erkennen. In Bezug auf Quantenobjekte stellt sich die Situation anders dar. Quantenteilchen (z. B. Elektronen) passieren beide Schlitze gleichzeitig, und dieser Vorgang wird durch probabilistische Methoden beschrieben. Das Phänomen der Elektroneninterferenz führt dazu, dass auf dem Bildschirm ein für den Wellendurchgang charakteristisches Bild beobachtet wird – mit einer Vielzahl von Intensitätsmaxima und -minima. Quantenteilchen (jedes von ihnen) scheinen die Anwesenheit beider Schlitze zu „spüren“. Was geschieht, ist nicht die Addition von Wellen verschiedener Quantenteilchen, die durch verschiedene Schlitze laufen, sondern die Interferenz der Wellen jedes Quantenteilchens an beiden Schlitzen.

Um solche Phänomene zu berechnen, begann man, ein Quantenteilchen nicht durch genaue Koordinaten- und Impulswerte, sondern durch eine Psi-Funktion zu charakterisieren – diese komplexe Wellenfunktion ermöglicht es, die Eigenschaften von Teilchen zu beschreiben und die Wahrscheinlichkeiten bestimmter zu bestimmen Veranstaltungen. Die Schrödinger-Gleichung, der diese Funktion unterliegt, ist eine lineare Differentialgleichung, und in dieser Hinsicht ist das Verhalten der Psi-Funktion selbst vollständig berechenbar und vorhersehbar, im Gegensatz zum Verhalten der Quantenobjekte, die sie beschreibt.

Kombinationen mit einer Katze

Eine der Grundlagen der Quantenmechanik ist das sogenannte Superpositionsprinzip. Wenn es nach diesem Prinzip mehrere Zustände gibt, die unterschiedlichen Wellenfunktionen entsprechen, dann gibt es Zustände, die durch Linearkombinationen dieser Funktionen beschrieben werden.

Betrachten wir ein spekulatives Experiment mit der sogenannten „Schrödinger-Katze“, das das Prinzip der Superposition verdeutlicht. Die Katze wird in eine Kiste gelegt. Es enthält neben der Katze eine Kapsel mit giftigem Gas (oder eine Bombe), die durch den radioaktiven Zerfall eines Plutoniumatoms oder eines versehentlich geflogenen Lichtquants mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent explodieren kann. Nach einiger Zeit öffnet sich die Kiste und es wird klar, ob die Katze lebt oder nicht. Bis zum Öffnen (Messen) der Box verbleibt die Katze in einer Überlagerung zweier Zustände: „lebendig“ und „tot“. Als Erwin Schrödinger 1935 das gesamte System (Box) einschließlich der Katze mit Wellenfunktionen beschrieb, kam er zu einem paradoxen Ergebnis. Es bestand darin, dass es laut Quantenmechanik neben den Zuständen, die einer lebenden oder toten Katze entsprechen, auch eine Überlagerung dieser Zustände gibt. Mit anderen Worten: Es muss einen Zustand geben, in dem die Katze „weder lebendig noch tot“ ist (oder, wenn Sie es vorziehen, gleichzeitig lebendig und tot). Auf die Objekte um uns herum angewendet, sieht diese Situation seltsam aus. Dass sich Elementarteilchen jedoch gleichzeitig in zwei scheinbar sich gegenseitig ausschließenden Zuständen befinden, ist völlig natürlich.

Kürzlich erhielt die Gruppe von Jonathan Friedman von der New York University einen der Beweise, dass nicht nur Elementarteilchen, sondern auch makroskopische Objekte den Gesetzen der Quantentheorie unterliegen. Wissenschaftler haben gezeigt, dass sich elektrischer Strom in einem supraleitenden Ring ähnlich wie Schrödingers Katze verhalten kann. Die Forscher erreichten einen Zustand des supraleitenden Rings, in dem Strom gleichzeitig sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn durch ihn floss.

Eines der wichtigsten Konzepte der Quantenfeldtheorie ist das Konzept des Vakuums. Das physische Vakuum ist kein leerer Ort. Wird einem Feld im Vakuumzustand ausreichend Energie zugeführt, so wird es angeregt und es entstehen Teilchen – Quanten dieses Feldes.

Empirie exakter Berechnungen

Die Entdeckung der Universalität des Welle-Teilchen-Dualismus für den gesamten Mikrokosmos führte zu der Einsicht, dass der Gegensatz der Begriffe „Teilchen“ und „Welle“ nicht völlig gerechtfertigt ist. Quantenobjekte müssen in grundlegenderen Konzepten beschrieben werden, und die Konzepte „Teilchen“ und „Welle“ spiegeln nur teilweise die objektive Realität der Welt um uns herum wider.

Klassische Teilchen bewegen sich entlang bestimmter Flugbahnen. Wenn die Koordinaten und Impulse des Teilchens zum Anfangszeitpunkt genau bekannt sind, können die Werte der Koordinaten und Impulse zu jedem späteren Zeitpunkt bestimmt werden.

Elektron, Proton, Neutron und andere Elementarteilchen unterscheiden sich grundlegend von klassischen Objekten wie beispielsweise einem Pellet oder einem Tischtennisball. Einer der Hauptunterschiede besteht darin, dass sich ein Quantenteilchen nicht entlang einer Flugbahn bewegt. Gleichzeitig ist es unangemessen, über gleichzeitige Werte seiner Koordinate und seines Impulses zu sprechen. Dies ist das 1927 von Werner Heisenberg aufgestellte Unschärfeprinzip. Die Unschärferelation betont den grundlegenden Unterschied in der Beschreibung des Zustands eines Systems in der klassischen und der Quantenphysik. Der Zustand eines klassischen Teilchens kann durch genaue Angabe von Koordinaten und Impulsen beschrieben werden. Für ein Quantenteilchen gibt es keine Zustände, in denen seine Koordinaten und sein Impuls gleichzeitig exakte Werte hätten. Gleichzeitig ermöglicht die Quantenmechanik festzustellen, welche der das System charakterisierenden physikalischen Größen gleichzeitig bestimmte Werte annehmen können und welche nicht.

Das Anwendungsspektrum der Quantenmechanik ist überraschend breit. Es unterliegt einer Vielzahl von Phänomenen und Prozessen – der Spaltung von Atomkernen und der Bildung von Neutronensternen, der Form chemischer Verbindungen und der Struktur der DNA-Helix, dem Betrieb von Halbleiterdioden, Transistoren und Lasern.

Um die Gesetze der Quantenwelt zu verstehen, kann man sich nicht auf alltägliche Erfahrungen verlassen. Teilchen verhalten sich nur dann wie klassische Teilchen, wenn wir sie ständig „schnüffeln“ oder, genauer gesagt, kontinuierlich messen, in welchem ​​Zustand sie sich befinden. Aber sobald wir uns „abwenden“ (aufhören zu beobachten), bewegen sich Quantenteilchen von einem ganz bestimmten Zustand in mehrere verschiedene Zustände gleichzeitig. Das heißt, ein Elektron (oder jedes andere Quantenobjekt) befindet sich teilweise an einem Punkt, teilweise an einem anderen, teilweise an einem dritten und so weiter. Und das bedeutet keineswegs, dass es in Teile zerlegt wird – sonst könnte ein Teil des Elektrons isoliert und seine Ladung oder Masse gemessen werden. Die Erfahrung zeigt, dass das Elektron nach der Messung immer an einem einzigen Punkt „sicher und gesund“ ist, obwohl es zuvor fast überall gleichzeitig war. Dieser Zustand eines Elektrons, wenn es sich gleichzeitig an mehreren Punkten im Raum befindet, eine Überlagerung von Quantenzuständen genannt, wird üblicherweise durch eine Wellenfunktion beschrieben, die 1926 vom deutschen Physiker Erwin Schrödinger eingeführt wurde. Nach der Messung der Position eines Teilchens scheint seine Wellenfunktion auf den Punkt zu schrumpfen, an dem das Teilchen entdeckt wurde, und beginnt sich dann nach der Messung wieder auszubreiten.

Aber kehren wir zum Doppelspaltexperiment zurück. Denken Sie daran, dass ein Quantenteilchen gleichzeitig zwei Schlitze passiert und auf dem Bildschirm ein Interferenzmuster beobachtet wird. Gleichzeitig sagt die Quantenmechanik voraus, dass bei der Bestimmung (Messung mit einem beliebigen Gerät), durch welchen der beiden Spalte ein Quantenteilchen geht, das Interferenzmuster zerstört wird. Erstmals wurden Experimente dieser Art durch Fortschritte in der Technologie der Laserkühlung von Atomstrahlen und jüngste Fortschritte in der Quantenoptik ermöglicht. So wurde an der Universität Konstanz (Deutschland) ein Doppelspaltexperiment mit einem monochromatischen Strahl aus Natriumatomen durchgeführt. Er zeigte, dass der Versuch, die Flugbahn eines Atoms durch Streuung von Photonen zu bestimmen, zum Verschwinden des Interferenzmusters führt.

Durch die Wände

Der probabilistische Charakter von Phänomenen in der Mikrowelt führt dazu, dass manchmal sogar etwas passieren kann, was aus Sicht der klassischen Physik nicht passieren sollte. Betrachten wir die Bewegung eines Teilchens in einem engen Bereich, in dem die potentielle Energie einen bestimmten endlichen Wert hat. In diesem Fall sagen sie, dass es eine potenzielle Barriere gibt. Eine solche potenzielle Barriere kann als Krater mit hohen Wänden dargestellt werden. Wenn die Gesamtenergie eines klassischen Teilchens geringer ist als die Höhe der Potentialbarriere, kann das sich bewegende Teilchen, nachdem es diese erreicht hat, die Potentialbarriere nicht überwinden. In der Quantenmechanik existiert nach der Schrödinger-Gleichung die Wellenfunktion eines Teilchens unter gleichen Bedingungen nicht nur innerhalb eines imaginären Kraters, sondern auch im Bereich hinter der Barriere. Das bedeutet, dass die Möglichkeit besteht, das Teilchen außerhalb des Kraters zu finden. Es entsteht ein interessantes Phänomen – das Eindringen von Quantenteilchen durch eine Potentialbarriere (durch Wände), der sogenannte Tunneleffekt.

Der Tunneleffekt ermöglicht es, den Zerfall von Atomkernen zu erklären, bei dem a-Teilchen von Heliumatomen aus den Kernen herausfliegen. Es ist bekannt, dass es durch starke Wechselwirkungen fest im Atomkern gehalten wird. Außerhalb des Kerns ist das Alphateilchen elektrischen Abstoßungskräften ausgesetzt. Potenzielle Energie sieht je nach Abstand zum Zentrum des Kerns wie ein tiefes Loch aus, ähnlich einem Krater. In diesem Brunnen hat das Alphateilchen eine Energie, die viel niedriger ist als die Höhe der Potentialbarriere. Und die a-Teilchen schaffen es irgendwie, aus diesem Loch herauszukommen. Eine Erklärung für dieses Eindringen von Partikeln durch die Wände liefert der Tunneleffekt. Dadurch erweist sich die durchschnittliche Lebensdauer eines radioaktiven Atomkerns zwar als sehr lang, aber endlich. Beispielsweise beträgt die Lebensdauer des Uran-238-U-Kerns etwa 4 Milliarden Jahre.

Der Tunneleffekt ermöglicht es Ihnen, das zu erreichen, was hinter potenziellen Barrieren festgehalten wird. Es ist der Durchgang von Teilchen durch diese Barriere, der die Ionisierung von Atomen in einem starken elektrischen Feld und den Ausstoß von Elektronen aus dem Metall unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes erklärt. Je größer jedoch die Breite und Höhe einer potenziellen Barriere ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie diese durchdringt.

Dank des Tunneleffekts funktionieren Halbleiter-Schottky-Dioden, bei denen ein elektrischer Strom von mehreren zehn Ampere erfolgreich durch eine dünne Dielektrikumschicht fließt, die die Halbleiter- und Metallelektroden eines bestimmten Quantengeräts trennt. Darüber hinaus leitet dieses Gerät, wie es sich für eine Diode gehört, den Strom nur in eine Richtung – dorthin, wo die Energie der Ladungen geringer ist.

Volle Ähnlichkeit

Wir sind daran gewöhnt, dass fast jedes Objekt individuell ist und sich zumindest etwas von seinem ähnlichen Gegenstück unterscheidet. Dies lässt sich jedoch nicht über Elementarteilchen sagen, und verschiedene Elektronen (wie alle Elementarteilchen des gleichen Typs) haben die erstaunliche Eigenschaft, dass sie sich nicht voneinander unterscheiden. Systeme aus identischen (identischen) Teilchen haben in der Quantenmechanik besondere Eigenschaften. Diese Eigenschaften ergeben sich aus dem sogenannten Prinzip der Ununterscheidbarkeit identischer Teilchen. Stellen wir uns vor, wir hätten zwei Elektronen vertauscht und eines an die Stelle des anderen gesetzt. Da die Elektronen absolut identisch sind, führt eine solche Umlagerung zu keinen Veränderungen und ist experimentell nicht nachweisbar. Dies führt zu einer spezifischen Austauschwechselwirkung, durch die chemische Bindungen in Molekülen und Kristallen entstehen.

Die Identität der Atome unseres Sterns und der Atome, die einen ähnlichen Stern bilden, der sich in einer Entfernung von Milliarden Lichtjahren von der Erde befindet, ermöglicht es Astronomen, Rückschlüsse auf die Struktur des Universums zu ziehen. Darüber hinaus gehen Physiker heute nicht nur davon aus, dass an verschiedenen Punkten im Raum die gleichen Gesetze gelten, sondern glauben auch, dass Elektronen (und der Rest des Mikrokosmos) in den letzten 10 Milliarden Jahren unverändert und identisch mit modernen Elektronen waren.

Sogar ein Punkt kann sich drehen

Der Aufbau der Quantentheorie begann also mit der Arbeit von Planck, der im Rahmen des klassischen Ansatzes die Hypothese über die Existenz diskreter Energieniveaus aufstellte. Im Zuge der Entwicklung der Quantenmechanik entstand die Schrödinger-Gleichung, aus deren Lösung automatisch diskrete Energiewerte erhalten werden. Die experimentelle Bestimmung atomarer Energieniveaus zeigte jedoch, dass keine vollständige Übereinstimmung mit den Vorhersagen der Theorie besteht. Alle Ebenen außer der Hauptebene sind in eine Reihe sehr nahe beieinander liegender Unterebenen unterteilt.

Diese Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment konnte nur mit Hilfe einer Annahme von George Uhlenbeck und Samuel Goudsmit aus dem Jahr 1925 erklärt werden. Sie kamen zu dem Schluss, dass das Elektron, wie die meisten anderen Elementarteilchen, einen zusätzlichen inneren Freiheitsgrad namens Spin besitzt. Das Vorhandensein von Spin in einem Quantenteilchen bedeutet, dass es in mancher Hinsicht einem kleinen Kreisel ähnelt. Spin kann nur ganzzahlige und halbzahlige Werte annehmen.

Alle Quantenteilchen werden je nach Spin in zwei Typen eingeteilt – Fermionen und Bosonen. Fermionen sind Teilchen mit einem halbzahligen Spin. Für diese Teilchen gilt das 1925 von Wolfgang Pauli entdeckte Prinzip, wonach zwei identische (identische) Teilchen mit halbzahligem Spin nicht im gleichen Quantenzustand sein können. Bosonen sind Teilchen mit ganzzahligem Spin. Für sie gilt das Pauli-Prinzip nicht: Es können beliebig viele Teilchen im gleichen Zustand sein. Die bekanntesten Fermionen sind Elektronen und Bosonen sind Photonen. Die niedrigsten Energieniveaus von Systemen aus Bosonen und Fermionen unterscheiden sich besonders stark voneinander. Auf jedem Energieniveau befinden sich genau zwei Fermionen – einer dreht sich nach oben, der andere nach unten. Im Gegensatz dazu können Bosonen alle zusammen auf einer einzigen unteren Ebene lokalisiert sein. Es ist dieses Phänomen, das zu Supraleitung und Supraflüssigkeit führt.

Der Verschränkungseffekt und das EPR-Paradoxon

Bei der Entwicklung des Quantenbildes der Welt spielten nicht nur reale Daten, sondern auch spekulative Experimente eine große Rolle. Nach dem 1935 von Einstein, Podolsky und Rosen vorgeschlagenen Experiment ändert der Experimentator durch die Beobachtung eines von zwei wechselwirkenden Teilchen sofort die Parameter des anderen Teilchens, das bereits weit weggeflogen ist. Es stellt sich heraus, dass das Quantensystem während des Trennungsprozesses eine bestimmte Verbindung beibehält (Verschränkungseffekt). Das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon oder EPR steht im Zusammenhang mit der grundlegenden „Quanten-Nichtlokalität“.

Die endgültige Lösung dieses „Paradoxons“ erfolgte erst 1964, als John Bell ein Paar verschränkter Quantenteilchen untersuchte, die sich berührten und sich dann voneinander entfernten, sodass ihre gegenseitige Beeinflussung unmöglich wurde. Er zeigte, dass sich diese Teilchen so konsistent verhalten, dass dieses Phänomen aus der Sicht der klassischen Theorie nicht erklärt werden kann. Experimente mit Photonen und anderen Teilchen haben diese Konsistenz wiederholt nachgewiesen und damit die Richtigkeit der Quantenmechanik und die Nichtlokalität der Psi-Funktion für ein System aus mehreren Teilchen bestätigt.

Quantenfax und -kopierer

Eine der wichtigen Schlussfolgerungen der Quantentheorie ist der Satz über die Unmöglichkeit, einen unbekannten Quantenzustand zu kopieren. Nach diesem Theorem ist es unmöglich, nach Erhalt vollständiger Informationen über ein unbekanntes Quantenobjekt ein zweites, genau dasselbe Objekt zu erschaffen, ohne das erste zu zerstören. Diese Aussage, die in der Quantenmechanik rigoros bewiesen ist, kann als Quantenzwillingsparadoxon bezeichnet werden. Die Quantenmechanik verbietet zwar die Erstellung von Doppelgängern, verbietet jedoch nicht die Erstellung einer exakten Kopie bei gleichzeitiger Zerstörung des Originals – also die Teleportation.

Das Wort „Teleportation“ hat sich in letzter Zeit von der Science-Fiction zur Wissenschaft entwickelt. Es wird allgemein angenommen, dass die Bewegung eines Objekts oder sogar einer Person bedeutet, alle Partikel zu bewegen, aus denen es besteht. Da Elementarteilchen jedoch nicht voneinander zu unterscheiden sind, können sie nicht bewegt werden, sondern das teleportierte Objekt kann anhand der erhaltenen Informationen aus neuen Teilchen „zusammengesetzt“ werden.

Folglich bedeutet die Teleportation eines Objekts, den Quantenzustand von Teilchen zu lesen und diesen Zustand aus einer entfernten Entfernung wiederherzustellen. Laut Quantenmechanik verschwindet das Objekt zwar, sobald alle notwendigen Informationen gelesen sind, und taucht erst nach der Quantenassemblierung wieder auf.

Die moderne wissenschaftliche Bedeutung des Wortes „Teleportation“ entspricht dem folgenden Vorgang: Ein Objekt zerfällt (sein Quantenzustand wird zerstört) an einer Stelle und seine perfekte Kopie erscheint an einer anderen Stelle. Darüber hinaus befindet sich das Objekt oder seine vollständige Beschreibung während der Teleportation niemals zwischen diesen beiden Orten. Beachten Sie, dass der „Zerfall“ des Quantenzustands eine notwendige Bedingung gemäß dem No-Cloning-Theorem ist.

Aufgrund des Unsicherheitsprinzips gilt: Je mehr Informationen über ein bestimmtes Objekt eingehen, desto mehr Verzerrungen werden in dieses Objekt eingebracht – und so weiter, bis der Ausgangszustand vollständig zerstört ist. Und selbst wenn wir das untersuchte Objekt vollständig zerstören, erhalten wir immer noch kein vollständiges Bild seines ursprünglichen Quantenzustands. Das klingt nach einem Einwand gegen die Teleportation: Wenn nicht genügend Informationen aus einem Objekt extrahiert werden können, um eine exakte Kopie zu erstellen, kann keine exakte Kopie erstellt werden. Sechs Wissenschaftler aus der Gruppe von Charles Bennett fanden jedoch einen Weg, diese Schwierigkeit mithilfe des berühmten EPR-Effekts zu umgehen.

Teleportationspraxis

Die Frage der Quantenteleportation wurde erstmals 1993 von der Gruppe von Charles Bennett aufgeworfen, die anhand verschränkter Zustände zeigte, dass durch Anbringen eines dritten Teilchens an einem der verschränkten Teilchen dessen Eigenschaften auf ein anderes entferntes Teilchen übertragen werden können. Die experimentelle Implementierung des EPR-Kanals wurde in der Arbeit zweier Forschergruppen durchgeführt – einer österreichischen von der Universität Innsbruck unter der Leitung von Anton Zeulinger und einer italienischen von der Universität Rom unter der Leitung von Francesco De Martini . Experimente der Gruppe von Zeulinger und de Martini bewiesen die praktische Anwendbarkeit der EPR-Prinzipien bei der Übertragung von Polarisationszuständen zwischen zwei Photonen über ein drittes Photon über optische Kabel in einer Entfernung von bis zu 10 km.

Nachdem sie bei der Photonenteleportation Erfolge erzielt haben, planen die Experimentatoren bereits, mit anderen Teilchen zu arbeiten – Elektronen, Atomen und sogar Ionen. Dies ermöglicht die Übertragung eines Quantenzustands von einem kurzlebigen Teilchen auf ein längerlebiges. Auf diese Weise wird es möglich sein, Speichergeräte zu schaffen, in denen die von Photonen eingebrachten Informationen auf von der Umgebung isolierten Ionen gespeichert werden. Teleportation kann eine zuverlässige Übertragung und Speicherung von Daten vor dem Hintergrund starker Störungen ermöglichen, wenn alle anderen Methoden wirkungslos sind. Vielleicht werden Quantenteleportationsnetzwerke in Zukunft genauso weit verbreitet sein wie moderne Telekommunikationsnetzwerke.

Die Quantenmechanik beschreibt die Bewegung von Elementarteilchen mit Geschwindigkeiten, die deutlich unter der Lichtgeschwindigkeit liegen. Die Quantenfeldtheorie beschreibt Prozesse, bei denen sich Teilchen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Beides zusammen ergibt die Quantentheorie, die die Bewegung, Wechselwirkung, Entstehung und Zerstörung von Elementarteilchen beschreibt.

Kontinuität der Physik

Trotz eines völlig neuen Blicks auf viele Naturphänomene kann die Quantenmechanik keineswegs als vollständige Widerlegung der klassischen Physik angesehen werden. Letzteres kann als Grenzfall der Quantenmechanik oder als erste und sehr grobe Annäherung daran betrachtet werden. Wie Paul Dirac betonte, besteht die Übereinstimmung zwischen Quanten- und klassischen Theorien nicht nur in ihrer extremen Übereinstimmung. Die Übereinstimmung liegt vor allem darin, dass die mathematischen Operationen der beiden Theorien in vielen Fällen denselben Gesetzen gehorchen und durch dieselbe mathematische Struktur beschrieben werden. Die Unterschiede liegen lediglich in der Darstellung (Implementierung) dieser Strukturen durch bestimmte mathematische Objekte.

Heute glauben Physiker fest daran, dass unsere Welt eins und erkennbar ist. Die gesamte Vielfalt natürlicher Phänomene muss einfach im Rahmen eines einzigen universellen Ansatzes beschrieben werden. Eine andere Sache ist, dass der Mensch das tiefe Wesen der Naturgesetze und die Grenzen der Erkennbarkeit der Welt noch nicht vollständig verstanden hat.

Die meisten Physiker sind jedoch davon überzeugt, dass wir genau die Gesetze und Regeln entdecken werden, die unsere erstaunlich schöne Welt bestimmen, wenn wir dem von der Quantenmechanik und der Quantenfeldtheorie aufgezeigten Weg folgen.

Wassili Tarasow, Kandidat der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften

Wenn Sie dachten, wir wären mit unseren umwerfenden Themen in Vergessenheit geraten, dann müssen wir Sie schnell enttäuschen und glücklich machen: Sie haben sich geirrt! Tatsächlich haben wir die ganze Zeit versucht, eine akzeptable Methode zu finden, um verrückte Themen rund um Quantenparadoxien darzustellen. Wir haben mehrere Entwürfe geschrieben, aber sie wurden alle ins Leere geworfen. Denn wenn es darum geht, Quantenwitze zu erklären, sind wir selbst verwirrt und geben zu, dass wir nicht viel verstehen (und im Allgemeinen verstehen nur wenige Menschen diese Angelegenheit, einschließlich der coolen Wissenschaftler der Welt). Leider ist die Quantenwelt der spießbürgerlichen Weltanschauung so fremd, dass es überhaupt keine Schande ist, sein Missverständnis einzugestehen und ein wenig gemeinsam zu versuchen, zumindest die Grundlagen zu verstehen.

Und obwohl wir wie üblich versuchen, mit Bildern von Google so anschaulich wie möglich zu sprechen, bedarf der unerfahrene Leser zunächst einer gewissen Vorbereitung, daher empfehlen wir Ihnen, sich unsere bisherigen Themen, insbesondere zu Quanten und Materie, durchzulesen.
Speziell für Humanisten und andere Interessierte – Quantenparadoxien. Teil 1.

In diesem Thema werden wir über das häufigste Mysterium der Quantenwelt sprechen – den Welle-Teilchen-Dualismus. Wenn wir „das Gewöhnlichste“ sagen, meinen wir, dass die Physiker es so satt haben, dass es nicht einmal mehr wie ein Rätsel erscheint. Aber das liegt alles daran, dass andere Quantenparadoxien für den Durchschnittsverstand noch schwieriger zu akzeptieren sind.

Und es war so. In der guten alten Zeit, etwa in der Mitte des 17. Jahrhunderts, waren sich Newton und Huygens über die Existenz von Licht uneinig: Newton erklärte schamlos, dass Licht ein Strom von Teilchen sei, und der alte Huygens versuchte zu beweisen, dass Licht eine Welle sei. Aber Newton war maßgeblicher, weshalb seine Aussage über die Natur des Lichts als wahr akzeptiert wurde und Huygens ausgelacht wurde. Und zweihundert Jahre lang galt Licht als Strom unbekannter Teilchen, deren Natur man eines Tages entdecken wollte.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts beschäftigte sich ein Orientalist namens Thomas Young mit optischen Instrumenten – und führte daraufhin ein Experiment durch, das heute Youngs Experiment genannt wird und das jeder Physiker für heilig hält.

Thomas Young richtete einfach einen Lichtstrahl (der gleichen Farbe, sodass die Frequenz ungefähr gleich war) durch zwei Schlitze in der Platte und platzierte eine weitere Schirmplatte dahinter. Und zeigte das Ergebnis seinen Kollegen. Wäre Licht ein Teilchenstrom, dann würden wir im Hintergrund zwei Lichtstreifen sehen.
Doch zum Unglück für die gesamte wissenschaftliche Welt erschienen auf dem Plattenbildschirm eine Reihe dunkler und heller Streifen. Ein häufiges Phänomen namens Interferenz ist die Überlagerung zweier (oder mehrerer) Wellen übereinander.

Übrigens ist es der Interferenz zu verdanken, dass wir Regenbogenfarben auf einem Ölfleck oder einer Seifenblase beobachten.

Mit anderen Worten: Thomas Young hat experimentell bewiesen, dass Licht Wellen sind. Die wissenschaftliche Welt wollte Jung lange Zeit nicht glauben, und einmal wurde er so kritisiert, dass er sogar seine Ideen der Wellentheorie aufgab. Aber das Vertrauen in ihre Richtigkeit gewann immer noch, und Wissenschaftler begannen, Licht als Welle zu betrachten. Stimmt, eine Welle von was – es war ein Rätsel.
Hier im Bild ist das gute alte Jung-Experiment.

Man muss sagen, dass die Wellennatur des Lichts keinen großen Einfluss auf die klassische Physik hatte. Wissenschaftler schrieben die Formeln um und begannen zu glauben, dass ihnen bald die ganze Welt unter einer einzigen universellen Formel für alles zu Füßen liegen würde.
Aber Sie haben bereits vermutet, dass Einstein wie immer alles ruiniert hat. Das Problem kam von der anderen Seite – zunächst waren Wissenschaftler bei der Berechnung der Energie thermischer Wellen verwirrt und entdeckten das Konzept der Quanten (lesen Sie dazu unbedingt in unserem entsprechenden Thema „“). Und dann versetzte Einstein mit Hilfe derselben Quanten einen Schlag in die Physik und erklärte das Phänomen des photoelektrischen Effekts.

Kurz gesagt: Der photoelektrische Effekt (eine Folge davon ist die Filmbelichtung) ist das Herausschlagen von Elektronen aus der Oberfläche bestimmter Materialien durch Licht. Technisch gesehen geschieht dieses Ausschlagen so, als ob Licht ein Teilchen wäre. Einstein nannte ein Lichtteilchen ein Lichtquant, und später erhielt es einen Namen – Photon.

Im Jahr 1920 wurde der Antiwellentheorie des Lichts der erstaunliche Compton-Effekt hinzugefügt: Wenn ein Elektron mit Photonen bombardiert wird, prallt das Photon unter Energieverlust vom Elektron ab (wir „schießen“ in Blau, aber das Rote fliegt). aus), wie eine Billardkugel von einer anderen. Compton erhielt dafür den Nobelpreis.

Dieses Mal scheuten sich die Physiker davor, die Wellennatur des Lichts einfach aufzugeben, sondern dachten stattdessen gründlich nach. Die Wissenschaft steht vor einem schrecklichen Rätsel: Ist Licht eine Welle oder ein Teilchen?

Licht hat wie jede Welle eine Frequenz – und das lässt sich leicht überprüfen. Wir sehen unterschiedliche Farben, weil jede Farbe einfach eine andere Frequenz einer elektromagnetischen (Licht-)Welle ist: Rot ist eine niedrige Frequenz, Lila ist eine hohe Frequenz.
Aber es ist erstaunlich: Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist fünftausendmal so groß wie die eines Atoms – wie passt so ein „Ding“ in ein Atom, wenn das Atom diese Welle absorbiert? Wenn nur das Photon ein Teilchen wäre, dessen Größe mit einem Atom vergleichbar wäre. Ist ein Photon gleichzeitig groß und klein?

Darüber hinaus beweisen der photoelektrische Effekt und der Compton-Effekt eindeutig, dass Licht immer noch ein Teilchenstrom ist: Es lässt sich nicht erklären, wie eine Welle Energie auf im Raum lokalisierte Elektronen überträgt – wäre Licht eine Welle, würden später einige Elektronen herausgeschlagen als andere, und das Phänomen Wir würden den photoelektrischen Effekt nicht beobachten. Bei einer Strömung hingegen kollidiert ein einzelnes Photon mit einem einzelnen Elektron und schleudert es unter bestimmten Bedingungen aus dem Atom.

Als Ergebnis wurde entschieden: Licht ist sowohl eine Welle als auch ein Teilchen. Oder besser gesagt, weder das eine noch das andere, sondern eine neue, bisher unbekannte Existenzform der Materie: Die Phänomene, die wir beobachten, sind nur Projektionen oder Schatten des tatsächlichen Sachverhalts, je nachdem, wie man das Geschehen betrachtet. Wenn wir den Schatten eines von einer Seite beleuchteten Zylinders betrachten, sehen wir einen Kreis, und wenn wir von der anderen Seite beleuchtet werden, sehen wir einen rechteckigen Schatten. So ist es auch mit der Teilchenwellendarstellung des Lichts.

Aber auch hier ist nicht alles einfach. Wir können nicht sagen, dass wir Licht entweder als Welle oder als Teilchenstrom betrachten. Schaue aus dem Fenster. Plötzlich sehen wir selbst in sauber gewaschenem Glas unser eigenes Spiegelbild, wenn auch verschwommen. Was ist der Haken? Wenn Licht eine Welle ist, lässt sich die Reflexion in einem Fenster leicht erklären – wir sehen ähnliche Auswirkungen auf Wasser, wenn eine Welle von einem Hindernis reflektiert wird. Wenn Licht jedoch ein Teilchenstrom ist, kann die Reflexion nicht so einfach erklärt werden. Schließlich sind alle Photonen gleich. Wenn sie jedoch alle gleich sind, sollte die Barriere in Form von Fensterglas auf sie die gleiche Wirkung haben. Entweder passieren sie alle das Glas, oder sie werden alle reflektiert. Doch in der harten Realität fliegen einige der Photonen durch das Glas, und wir sehen das Nachbarhaus und sehen sofort unser Spiegelbild.

Und die einzige Erklärung, die mir einfällt: Photonen sind für sich allein. Es ist unmöglich, mit hundertprozentiger Wahrscheinlichkeit vorherzusagen, wie sich ein bestimmtes Photon verhält – ob es als Teilchen oder als Welle mit Glas kollidiert. Dies ist die Grundlage der Quantenphysik – ein völlig zufälliges Verhalten der Materie auf der Mikroebene ohne Grund (und in unserer Welt der großen Mengen wissen wir aus Erfahrung, dass alles einen Grund hat). Dies ist im Gegensatz zum Münzwurf ein perfekter Zufallszahlengenerator.

Der brillante Einstein, der das Photon entdeckte, war bis zu seinem Lebensende davon überzeugt, dass die Quantenphysik falsch sei, und versicherte allen, dass „Gott nicht würfelt“. Aber die moderne Wissenschaft bestätigt zunehmend, dass es eine Rolle spielt.

Auf die eine oder andere Weise beschlossen Wissenschaftler eines Tages, der „Welle oder Teilchen“-Debatte ein Ende zu setzen und Jungs Erfahrungen unter Berücksichtigung der Technologien des 20. Jahrhunderts zu reproduzieren. Zu diesem Zeitpunkt hatten sie gelernt, Photonen einzeln abzuschießen (Quantengeneratoren, in der Bevölkerung als „Laser“ bekannt), und deshalb wurde beschlossen, zu überprüfen, was auf dem Bildschirm passieren würde, wenn man ein Teilchen auf zwei Schlitze schießen würde: Unter kontrollierten experimentellen Bedingungen wird endlich klar, was Materie ist.

Und plötzlich zeigte ein einzelnes Lichtquant (Photon) ein Interferenzmuster, das heißt, das Teilchen flog gleichzeitig durch beide Schlitze, das Photon interferierte mit sich selbst (in wissenschaftlicher Hinsicht). Lassen Sie uns den technischen Punkt klären – tatsächlich wurde das Interferenzbild nicht durch ein Photon, sondern durch eine Reihe von Schüssen auf ein Teilchen im Abstand von 10 Sekunden gezeigt – im Laufe der Zeit erschienen Youngs Streifen, die jedem C-Studenten seit 1801 bekannt waren der Bildschirm.

Aus der Sicht der Welle ist das logisch – die Welle geht durch die Risse, und nun divergieren zwei neue Wellen in konzentrischen Kreisen und überlappen sich.
Aus korpuskularer Sicht stellt sich jedoch heraus, dass sich das Photon beim Durchgang durch die Schlitze gleichzeitig an zwei Orten befindet und sich nach dem Durchgang mit sich selbst vermischt. Das ist im Allgemeinen normal, oder?
Es stellte sich heraus, dass es normal war. Da sich das Photon außerdem in zwei Schlitzen gleichzeitig befindet, bedeutet dies, dass es gleichzeitig überall ist, sowohl vor den Schlitzen als auch nach dem Durchfliegen. Und im Allgemeinen ist aus quantenphysikalischer Sicht das freigesetzte Photon zwischen Start und Ziel gleichzeitig „überall und gleichzeitig“. Physiker nennen einen solchen Fund eines Teilchens „überall auf einmal“ Überlagerung – ein schreckliches Wort, das früher eine mathematische Verwöhnung war, ist heute physikalische Realität.

Ein gewisser E. Schrödinger, ein bekannter Gegner der Quantenphysik, hatte zu diesem Zeitpunkt irgendwo eine Formel ausgegraben, die die Welleneigenschaften von Materie, beispielsweise Wasser, beschrieb. Und nachdem ich ein wenig daran herumgebastelt hatte, kam ich zu meinem Entsetzen auf die sogenannte Wellenfunktion. Diese Funktion zeigte die Wahrscheinlichkeit an, ein Photon an einem bestimmten Ort zu finden. Beachten Sie, dass es sich hierbei um eine Wahrscheinlichkeit und nicht um einen genauen Standort handelt. Und diese Wahrscheinlichkeit hing vom Quadrat der Höhe des Quantenwellenkamms an einem bestimmten Ort ab (falls sich jemand für die Details interessiert).

Den Fragen der Ortsbestimmung von Partikeln widmen wir ein eigenes Kapitel.

Weitere Entdeckungen zeigten, dass die Dinge mit dem Dualismus noch schlimmer und mysteriöser sind.
Im Jahr 1924 sagte ein gewisser Louis de Broglie, dass die wellenkorpuskulären Eigenschaften des Lichts die Spitze des Eisbergs seien. Und alle Elementarteilchen haben diese unverständliche Eigenschaft.
Das heißt, ein Teilchen und eine Welle sind gleichzeitig nicht nur Teilchen des elektromagnetischen Feldes (Photonen), sondern auch reale Teilchen wie Elektronen, Protonen usw. Auf mikroskopischer Ebene besteht die gesamte Materie um uns herum aus Wellen(und Teilchen zugleich).

Und ein paar Jahre später wurde dies sogar experimentell bestätigt – die Amerikaner trieben Elektronen in Kathodenstrahlröhren (die den heutigen alten Fürzen unter dem Namen „Kineskop“ bekannt sind) – und so bestätigten Beobachtungen im Zusammenhang mit der Reflexion von Elektronen, dass ein Elektron ist auch eine Welle (zum leichteren Verständnis kann man sagen, dass man eine Platte mit zwei Schlitzen in den Weg des Elektrons gelegt hat und die Interferenz des Elektrons so gesehen hat, wie sie ist).

Bisher wurde in Experimenten herausgefunden, dass auch Atome Welleneigenschaften haben und sogar einige spezielle Arten von Molekülen (die sogenannten „Fullerene“) sich als Wellen manifestieren.

Der neugierige Geist des Lesers, der von unserer Geschichte noch nicht verblüfft ist, wird sich fragen: Wenn Materie eine Welle ist, warum wird dann beispielsweise ein fliegender Ball nicht in Form einer Welle im Weltraum verschmiert? Warum ähnelt ein Düsenflugzeug überhaupt nicht einer Welle, sondern ist einem Düsenflugzeug sehr ähnlich?

De Broglie, der Teufel, hat hier alles erklärt: Ja, ein fliegender Ball oder eine Boeing ist auch eine Welle, aber die Länge dieser Welle ist umso kürzer, je größer der Impuls ist. Impuls ist Masse mal Geschwindigkeit. Das heißt, je größer die Masse der Materie, desto kürzer ist ihre Wellenlänge. Die Wellenlänge eines Balls, der mit einer Geschwindigkeit von 150 km/h fliegt, beträgt etwa 0,00 Meter. Daher können wir nicht wahrnehmen, wie sich der Ball als Welle im Raum ausbreitet. Für uns ist es solide Sache.
Ein Elektron ist ein sehr leichtes Teilchen und hat bei einer Geschwindigkeit von 6000 km/s eine merkliche Wellenlänge von 0,0000000001 Metern.

Beantworten wir übrigens gleich die Frage, warum der Atomkern nicht so „wellenförmig“ ist. Obwohl es sich im Zentrum des Atoms befindet, um das das Elektron wie verrückt fliegt und gleichzeitig verschmiert wird, verfügt es über einen ordentlichen Impuls, der mit der Masse der Protonen und Neutronen verbunden ist, sowie durch hochfrequente Schwingungen (Geschwindigkeit). auf die Existenz eines ständigen Austauschs von Teilchen innerhalb des Kerns starke Wechselwirkung (lesen Sie das Thema). Daher ähnelt der Kern eher der uns bekannten festen Materie. Das Elektron ist offenbar das einzige Teilchen mit Masse, das deutlich ausgeprägte Welleneigenschaften aufweist, weshalb jeder es mit Freude studiert.

Kehren wir zu unseren Teilchen zurück. Es stellt sich also heraus: Ein um ein Atom rotierendes Elektron ist sowohl ein Teilchen als auch eine Welle. Das heißt, das Teilchen rotiert, und gleichzeitig stellt das Elektron als Welle eine Hülle einer bestimmten Form um den Kern dar – wie kann das überhaupt vom menschlichen Gehirn verstanden werden?

Wir haben oben bereits berechnet, dass ein fliegendes Elektron eine (für einen Mikrokosmos) ziemlich große Wellenlänge hat, und um um den Kern eines Atoms zu passen, benötigt eine solche Welle unangemessen viel Platz. Genau das erklärt die große Größe der Atome im Vergleich zum Kern. Die Wellenlänge des Elektrons bestimmt die Größe des Atoms. Der leere Raum zwischen dem Kern und der Oberfläche des Atoms wird durch die „Akkommodation“ der Wellenlänge (und zugleich des Teilchens) des Elektrons gefüllt. Das ist eine sehr grobe und falsche Erklärung – bitte verzeihen Sie uns – in Wirklichkeit ist alles viel komplizierter, aber unser Ziel ist es, Menschen, die sich für all das interessieren, zumindest zu ermöglichen, ein Stück Granit der Wissenschaft abzunagen.

Um es noch einmal klarzustellen! Nach einigen Kommentaren zum Artikel [in YP] wurde uns klar, welch wichtiger Punkt in diesem Artikel fehlte. Aufmerksamkeit! Die Form der Materie, die wir beschreiben, ist weder eine Welle noch ein Teilchen. Es hat nur (gleichzeitig) die Eigenschaften einer Welle und die Eigenschaften von Teilchen. Man kann nicht sagen, dass eine elektromagnetische Welle oder eine Elektronenwelle wie Meereswellen oder Schallwellen sei. Die uns bekannten Wellen repräsentieren die Ausbreitung von Störungen in einem mit Substanz gefüllten Raum.
Photonen, Elektronen und andere Instanzen des Mikrokosmos können, wenn sie sich im Raum bewegen, durch Wellengleichungen beschrieben werden; ihr Verhalten ähnelt nur einer Welle, sie sind jedoch keinesfalls eine Welle. Ähnlich verhält es sich mit der korpuskulären Struktur der Materie: Das Verhalten eines Teilchens ähnelt dem Flug kleiner Punktkugeln, es handelt sich dabei jedoch nie um Kugeln.
Dies muss verstanden und akzeptiert werden, sonst münden alle unsere Gedanken letztendlich in eine Suche nach Analogien im Makrokosmos und damit endet das Verständnis der Quantenphysik, und es beginnt das Mönchtum oder die Scharlatan-Philosophie, etwa die Quantenmagie und die Materialität von Gedanken.

Wir werden die verbleibenden erschreckenden Schlussfolgerungen und Konsequenzen von Jungs modernisiertem Experiment später im nächsten Teil betrachten – Heisenbergs Unsicherheit, Schrödingers Katze, das Pauli-Ausschlussprinzip und die Quantenverschränkung erwarten den geduldigen und nachdenklichen Leser, der unsere Artikel mehr als einmal noch einmal liest und stöbert durch das Internet auf der Suche nach zusätzlichen Informationen.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Frohe Schlaflosigkeit oder kognitive Albträume an alle!

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