Skurrile Quantenwelt

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? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2
Die Herkunft des Planckschen Wirkungsquantums . . . . . . . . . . . .
Woher kommt die Quantenhypothese? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wie konnte die Ultraviolettkatastrophe gelöst werden? . . . . . . . . .
Wovon ist der Energiebetrag eines Lichtquants abhängig? . . . . . . .
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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? . . . . . . . . . . . .
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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? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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38
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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? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6
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44
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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? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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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? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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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? . . . . . . . . . . . . .
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74
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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? . . . . . . . . .
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113
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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? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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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? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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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“? . . . . . . . . . . . . . . .
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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? . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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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?
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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? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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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
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Nachwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Sach- und Namenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241