Skurrile Quantenwelt
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Silvia Arroyo Camejo Skurrile Quantenwelt ABC Inhaltsverzeichnis Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 Licht und Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist eigentlich Licht? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aber was schwingt da wie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was sind Frequenz und Wellenlänge des Lichts? . . . . . . . . . . . . . . . Was ist eigentlich Materie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Woraus besteht ruhemassebehaftete Materie? . . . . . . . . . . . . . . . . . Sind Elementarteilchen wirklich Teilchen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 8 9 11 12 13 15 2 Die Herkunft des Planckschen Wirkungsquantums . . . . . . . . . . . . Woher kommt die Quantenhypothese? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wie konnte die Ultraviolettkatastrophe gelöst werden? . . . . . . . . . Wovon ist der Energiebetrag eines Lichtquants abhängig? . . . . . . . 17 18 19 20 3 Der photoelektrische Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist der photoelektrische Effekt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist das Nichtklassische am Photoeffekt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wie löste Einstein diese Widersprüche? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wie lässt sich hierdurch ein Wert für h bestimmen? . . . . . . . . . . . . 23 24 25 28 30 X Zur Entstehung dieses Buchs 4 Das Doppelspaltexperiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist das Doppelspaltexperiment? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was passiert beim Doppelspaltversuch mit Licht? . . . . . . . . . . . . . . Wie lässt sich das Streifenmuster erklären? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ist Licht also doch eine Welle? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 34 35 38 41 5 Das Doppelspaltexperiment mit Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kann das Doppelspaltexperiment auch mit Elektronen durchgeführt werden? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was passiert beim Doppelspaltexperiment mit Elektronen? . . . . . Könnte man sich das Streifenmuster nicht auch anders erklären? Muss das Elektron nun doch als Welle angesehen werden? . . . . . . Welche Schlüsse muss man aus dem Ausgang des Experiments ziehen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 6 7 8 44 44 47 48 50 Der Compton-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was versteht man unter dem Compton-Effekt? . . . . . . . . . . . . . . . . . Wie lässt sich die Wellenlängenänderung berechnen? . . . . . . . . . . . Warum tritt der Compton-Effekt nicht bei sichtbarem Licht auf? . Ist der Compton-Effekt nur mit einem Teilchenmodell beschreibbar? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 52 53 58 Die Heisenbergsche Unschärferelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was besagt die Heisenbergsche Unschärferelation? . . . . . . . . . . . . . Wie kann man sich die Unschärferelation praktisch vorstellen? . . Ließe sich das Interferenzmuster ebenfalls durch die Unschärferelation erklären? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was lässt sich aus dem Ausgang der Experimente schließen? . . . . Ist das Doppelspaltexperiment auch mit anderen Teilchen durchführbar? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist das Elektron jetzt eigentlich wirklich: Welle oder Teilchen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 62 64 Der Kollaps der Wellenfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wo liegt überhaupt der Widerspruch zwischen dem Wellen- und dem Teilchenmodell? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was genau bedeutet der Begriff Welle-Teilchen-Dualismus? . . . . . Wie wird aus der Elektronen-Welle ein Teilchen auf dem Projektionsschirm? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was geschieht mit dem Rest der Elektronen-Welle? . . . . . . . . . . . . . 73 59 64 67 69 70 74 76 77 78 Zur Entstehung dieses Buchs XI Wie steht es um Gleichzeitigkeit und instantane Informationsübertragung? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Wodurch wird der Kollaps der Wellenfunktion ausgelöst? . . . . . . . 82 Die Bohr-Einstein-Debatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wie kam es zur Bohr-Einstein-Debatte? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist denn „Zufall“ physikalisch gesehen überhaupt? . . . . . . . . . Wie lautete Einsteins Kritik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Welche Experimente diskutierten Bohr und Einstein? . . . . . . . . . . Welche experimentellen Fakten lagen den Diskussionen zu Grunde? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wie lautete Bohrs Entgegnung? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Welche Schlussfolgerungen kann man aus der Bohr-Einstein-Debatte ziehen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 10 Das Bohrsche Atommodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Welche Atommodelle gab es? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Welche Makel besitzt das Planetenmodell Rutherfords? . . . . . . . . . Wie löst das Bohrsche Atommodell diese Diskrepanzen? . . . . . . . . Was ist der Bohrsche Radius? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Welche Werte besitzen die Energieniveaus in der Atomhülle? . . . . Wie geschieht die Absorption bzw. Emission von Photonen? . . . . . Ist das Bohrsche Atommodell als „richtig“ anzusehen? . . . . . . . . . 103 104 106 107 110 112 113 115 11 Die Schrödinger-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist der Unterschied zwischen der Matrizen- und der Wellenmechanik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Welche Bedeutung kommt der Wellenfunktion zu? . . . . . . . . . . . . . Wie leitet sich die Schrödinger-Gleichung her? . . . . . . . . . . . . . . . . Was berechnet man mit der Schrödinger-Gleichung? . . . . . . . . . . . Welche Auswirkung hatte die Schrödinger-Gleichung auf das Atommodell? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 12 Schrödingers Katze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Worum handelt es sich bei Schrödingers Katze? . . . . . . . . . . . . . . . . Wie ist das Gedankenexperiment um Schrödingers Katze aufgebaut? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wo liegt die Paradoxie beim Gedankenexperiment um Schrödingers Katze? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 132 9 87 88 90 91 94 97 97 118 120 122 126 128 134 135 XII Zur Entstehung dieses Buchs Wie stellt man den überlagerten Zustand eines Teilchens quantenmechanisch dar? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 In welchem Zustand befindet sich die Katze? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 13 Die Interpretation des quantenmechanischen Formalismus . . . . . Wie lautet die Lösung des Schrödingerschen Katzenparadoxons? . Was besagt die Kopenhagener Deutung? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was besagt die Viele-Welten-Interpretation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was besagt die Theorie der Dekohärenz? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Welche Interpretation entspricht der „Realität“? . . . . . . . . . . . . . . . 141 142 143 146 150 157 14 Das EPR-Paradoxon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist das EPR-Paradoxon und woher kommt es? . . . . . . . . . . . . . Wie sieht der gedankliche Versuchsaufbau des EPR-Experiments aus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ist also doch kein Paradigmenwechsel durch die Quantenmechanik nötig? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ist die Quantenmechanik tatsächlich unvollständig? . . . . . . . . . . . . Quantenmechanik oder Theorien verborgener Variabler? . . . . . . . Schließt die Quantenmechanik verborgene Variable prinzipiell aus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wie gestaltet sich die Bohmsche Mechanik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 160 162 165 166 167 169 170 15 Die Bellsche Ungleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ist eine experimentelle Entscheidung über verborgene Variablen möglich? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist der Spin eines Teilchens? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spinmessung nach Theorien verborgener Variabler oder Quantenmechanik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wie gestaltet sich der Aufbau des Bohmschen EPR-Experiments? Wie lauten die Voraussagen der Theorien verborgener Variabler? Wie geschieht die experimentelle Überprüfung der Voraussagen? 173 16 Die modernen Anwendungen der Quantenphysik . . . . . . . . . . . . . . Wie wird die Quantenphysik praktisch angewendet? . . . . . . . . . . . Was ist Quanteninformation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist Quanten-Teleportation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was sind Quanten-Computer? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist Quanten-Kryptographie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 190 190 192 198 201 174 175 177 180 182 186 Zur Entstehung dieses Buchs 17 Quantengravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wozu brauchen wir eine Quantengravitation? . . . . . . . . . . . . . . . . . Gibt es eine Lösung für den Theorien-Konflikt? . . . . . . . . . . . . . . . . Was besagt die Stringtheorie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was besagt die Loop-Quantengravitation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestehen zwischen den Quantengravitationstheorien auch Gemeinsamkeiten? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ist Quantengravitation noch Physik oder schon Philosophie? . . . . XIII 209 210 212 213 215 216 219 Nachwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Sach- und Namenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
