Protokoll

Leibniz Kolleg Tübingen
Physik
Dr. Thorsten Nagel
6. Sitzung 25.11.13
Kapitel 3: Einführung in die Quantenphysik
Protokollanten: Miriam, Aysun
Erläuterung zur letzten Stunde:
Schwingung der Wassermoleküle in der Mikrowelle:
Aufgrund der stärkeren Elektronegativität des Sauerstoffatoms, weist das Wassermolekül DipolEigenschaften auf. Diese Eigenschaft bewirkt, dass die Wassermoleküle sich in einem
Elektromagnetischen Feld bewegen und durch die Reibungsenergie Wärme erzeugt wird.
Gibt es in der Mikrowelle Stellen, die wärmer als andere werden ?
Das Elektromagnetische Feld in der Mikrowelle ist nicht homogen, schon allein dadurch findet eine
ungleiche Wärmeverteilung statt, aber auch in einem ideal homogenen Feld würde die Wärme ungleich verteilt werden. Bei der Mikrowellen im Mikrowellenherd handelt es sich um stehende
Wellen, die an bestimmten Stellen eine extreme Schwingung (viel Wärme) aufweisen und an
anderen gar keine Schwingung (wenig Wärme) aufweisen.
Versuche zur Dualität des Lichtes
Experiment A: Fotoeffekt:
Versuchsaufbau:
UV-Lampe, Zinkplatte und Spannungsquelle (2500 V) als Elektronenlieferant
Versuchsablauf:
Spannung wird an Zinkplatte angesetzt, woraufhin das Ladungsmessgerät
negative Ladung auf der Zinkplatte anzeigt.
Nach Bestrahlung mit der UV-Lampe entlädt sich die Zinkplatte.
Bei positiver Ladung der Zinkplatte, findet keine Entladung statt.
Wie kann man aus diesem Ergebnis schließen, dass Licht Teilchen-Charakter aufweist ?
Wenn man Licht als Welle sieht, müsste die Energie (Geschwindigkeit) der freigesetzten Elektronen
von der Intensität des Lichtes (Amplitude der Welle) abhängen.
Dies ist jedoch nicht der Fall: die Energie der Elektronen ist abhängig von der Wellenlänge des
Lichtes und die Intensität des Lichtes bestimmt nur wie viele Elektronen freigesetzt werden.
Experiment B: Doppelspalt
Versuchsaufbau:
Monochromatische Lichtquelle (Laser) und Einfach-Doppel-Mehrfach-Spalthalter.
Versuchsablauf:
Doppelspalt wird mit Lichtquelle bestrahlt, woraufhin auf dem Schirm ein
Interferenzmuster entsteht.
Verändert sich das Muster, wenn der Einfach-Doppel-Mehrfach-Spalthalter verschoben wird ?
Generell ist bei dem Versuch immer ein Interferenzmuster zu beobachten, das hauptsächlich von der
Breite der Spalte abhängt. Bei einem Gitter entsteht ein flächiges Punktmuster und kein Punktstreifen. Bei nur einem Spalt kommt es zu ebenfalls zu einem Interferenzmuster, allerdings nicht so
komplex wie beim Mehrfachspalt. Generell sollte die Spaltbreite ähnlich der Wellenlänge sein, bei
sehr viel größeren Spalten kommt keine Beugung und Interferenz mehr zustande.
Einführung in die Quantenphysik:
Begriffserklärung: Theorie
In der Naturwissenschaft wird von einem dreistufigen Aufbau ausgegangen: Spekulation, Hypothese, Theorie.
Dabei wird Theorie anders als im praktischen Sprachgebrauch als ein akzeptiertes Modell der
Wirklichkeit verstanden, das in den meisten Fällen nicht global verifiziert werden kann (lediglich
anhand einzelner Experimente und Überprüfung von Vorhersagen erfolgt die Verifikation, man kann
aber nicht unendlich viele davon machen), aber dessen Falsifikation nicht ausgeschlossen werden
darf.
War Wolfgang Pauli Begründer des Pauli-Effekts?
Ja, der Effekt beschreibt das „anekdotisch dokumentierte Phänomen, dass in Gegenwart des bedeutenden theoretischen Physikers Wolfgang Pauli ungewöhnlich häufig experimentelle Apparaturen
versagten oder sogar spontan zu Bruch gingen“ 1
Was ist h/4π?
Gleichung: Δ x * Δ p ≥ h/ 4π
Der hintere Term ist eine Konstante. h ist dabei das Planck'sche Wirkungsquantum, was einer der
kleinsten sich physikalisch vorstellbaren Größen entspricht (Plancklänge, Planckzeit,...). Das
Produkt kann sich Null nur annähern, aber nie gleich Null sein.
Warum verändert sich das Versuchsobjekt, sobald gemessen wird?
Am Beispiel der Unschärfe kann man sehen, dass die durch die Messung das Messergebnis selbst
verändert wird. Denn auf mikrokosmischer Ebene gibt das Photon einen Impuls auf das untersuchte
Elementarteilchen ab und verändert es.
Kann man die durch die Messung induzierte Veränderung nicht durch eine mathematische Methode
auf die ursprünglichen Werte zurückrechnen ?
Man kann nur mit Näherungswerten rechnen, denn man kennt z.B die Wellenlängen nicht exakt genug. Auf mikrokosmischer Ebene sind Näherungswerte vom Ursprungswert weit entfernt. Diese
Unschärfe macht auch Zukunftsvoraussagen (anders als Descartes dachte) nur begrenzt innerhalb
eines bestimmten Zeitrahmens möglich (magische Grenze bei der Vorhersage der Bewegung der
Planeten in unserem Sonnensystem= 60 Mio. Jahre).
1 http://de.wikipedia.org/wiki/Pauli-Effekt
Wie entnehme ich ein Photon heraus? Wann sind es Teilchen, wann sind es Wellen? Wie ist es tech nologisch möglich einzelne Photonen zu verwenden?
Photonen besitzen immer Wellen- und Teilcheneigenschaften.
Man kann inzwischen Bauteile kaufen, um bei Raumtemperatur einzelne Photonen zu erzeugen:
http://www.pro-physik.de/details/news/1446213/Einzelne_Photonen_bei_Raumtemperatur.html
Die Photonen entstehen unabhängig voneinander (einzeln), aber trotzdem in schneller Abfolge
(Bruchteile von Sekunden). Das Prinzip ist hierbei, einzelne Atome zu spontaner Emission eines
Photons zu bringen.
Verändert sich die Realität oder das was ich wahrnehme?
Es verändert sich die Realität, da die Veränderung auf mikrokosmischer Ebene nachzuweisen ist.
Ist die Wahrnehmung des Ergebnisses dann nicht subjektiv ?
Die Quantenphysik ist nicht so einfach auf den Makrokosmos übertragbar. Man dürfe daher hier
seinen gesunden Menschenverstand nicht anwenden, weil unser Denken nur durch unzureichende
Modelle geprägt ist. Um die Quantenphysik auf den Makrokosmos zu übertragen, wurden verschiedene Lösungsansätze entwickelt. Ein alternativer Lösungsansatz ist die Vier-Welten-Theorie.
Wo findet die Messung statt, bei der Katze, beim Menschen oder beim Geigerzähler ?
Frage an Thorsten !! Diese Frage kann auch Thorsten nicht beantworten, darüber streiten seit
Jahrzehnten die besten Quantenphysiker.
Ist das Problem dann, dass der Mensch zu sehr zeitlich denkt ?
Das Hauptproblem ist, dass wir in unserem Alltag keine Quantenphänomene bewusst wahrnehmen
und deshalb kein Verständnis dafür entwickelt haben.
Warum führt Schrödinger dieses Experiment durch ?
Es ist der Versuch Effekte aus der Quantenphysik auf den Makrokosmos zu übertragen, um zu zeigen wie widersprüchlich sie sind. Aber Achtung: Es ist ein reines Gedankenexperiment, keine
Katzen kamen zu Schaden.
Problem:
Da die Quantenphysik inzwischen auch auf viel größere Objekte, wie das C60 Molekül „Fulleren“,
angewandt werden kann, stellt sich die Frage wo die Grenze zwischen dem mikrokosmischen Bereich, indem die Quantenphysik gilt, und dem makrokosmischen Bereich zu ziehen ist bzw. ob eine
solche Grenze überhaupt existiert.
Kommt bei dem theoretischen Versuch des durch die Wand fliegenden Balles auf der anderen Seite
ein kleinerer Ball heraus?
Thorsten hat die Frage in der Astrokaffeerunde diskutiert. Fazit war, dass es beliebig
unwahrscheinlich ist, dass der Ball überhaupt durchfliegt. Falls aber der beliebig unwahrscheinliche
Fall doch eintritt, kommt auch wieder ein Ball heraus. Alle waren sich einig, dass die Kaffeerunde
zu kurz für eine experimentelle Überprüfung ist.
Worin liegt die Bedeutung der Quantenphysik in der Zukunft ?
Die Phänomene sind größtenteils theoretisch, aber können in der Zukunft an Bedeutung gewinnen.
Zum Teil sind sie auch schon heute zu finden, wie z.B. die Supraleitung. Eine große Rolle spielen
sie bei der Entwicklung der Quantencomputer und Quantenkryptographie.
Empfehlung:
Richard Feynman, Vorlesungen auf YouTube und Lehrbücher