Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Bahnen bewegen würden, wüssten wir zu jeder gegebenen Zeit genau, wo das Elektron ist und wie schnell und in welche Richtung es sich bewegt, so dass wir ermitteln könnten, wo es zu irgendeiner späteren Zeit sein wird, was im Widerspruch zu Heisenbergs Prinzip stünde.
    Die Quantenmechanik sagt uns, dass Elektronen keine bestimmten Orte in den Atomen besetzen, wie es in der klassischen Vorstellung der Fall wäre. Stattdessen sagen uns Wahrscheinlichkeitsverteilungen, wie wahrscheinlich Elektronen an einem bestimmten Ort gefunden werden können, und alles, was wir kennen, sind diese Wahrscheinlichkeiten. Wir können zwar die wahrscheinlichste Position eines Elektrons als Funktion der Zeit vorhersagen, aber jede einzelne Messung unterliegt dem Unbestimmtheitsprinzip.
    Man sollte bedenken, dass diese Verteilungen nicht willkürlich sind. Die Elektronen können nicht jede beliebige Energie- oder Wahrscheinlichkeitsverteilung besitzen. Es gibt zwar keine zufriedenstellende klassische Methode zur Beschreibung der Umlaufbahn eines Elektrons – sie lässt sich nur probabilistisch beschreiben –, aber die Wahrscheinlichkeitsverteilungen sind tatsächlich präzise Funktionen. Mit Hilfe der Quantenmechanik können wir eine Gleichung aufstellen, die die Wellenfunktion für ein Elektron beschreibt, und diese sagt uns die Wahrscheinlichkeit dafür, mit der es sich an einem bestimmten Punkt im Raum befindet.
    Eine andere Eigenschaft von Atomen, die aus der Perspektive eines klassischen Newton’schen Physikers bemerkenswert ist, besteht darin, dass die Elektronen in einem Atom nur bestimmte quantisierte Energieniveaus besetzen können. Die Umlaufbahnen der Elektronen hängen von ihren Energien ab, und diese bestimmten Energieniveaus und die damit verbundenen Wahrscheinlichkeiten müssen den quantenmechanischen Regeln entsprechen.
    Die quantisierten Niveaus der Elektronen sind für ein Verständnis des Atoms wesentlich. Im frühen 20. Jahrhundert war ein wichtiger Hinweis auf die Notwendigkeit der radikalen Änderung der klassischen Regeln die Tatsache, dass aus klassischer Sicht Elektronen, die einen Kern umkreisen, instabil sind. Sie würden Energie abstrahlen und rasch in Richtung Kern fallen. Das hätte nicht nur keine Ähnlichkeit mehr mit einem Atom. Es würde auch nicht die Struktur der Materie erlauben, wie wir sie kennen, da diese auf stabilen Atomen basiert.
    1912 war Niels Bohr mit einer schwierigen Entscheidung konfrontiert – entweder die klassische Physik oder seinen Glauben an die beobachtete Wirklichkeit aufzugeben. Bohr entschied sich klugerweise für die erste Alternative und nahm an, dass die klassischen Gesetze nicht für die kleinen Abstände gelten, die für Elektronen in einem Atom relevant sind. Das war eine der Schlüsseleinsichten, die zur Entwicklung der Quantenmechanik führten.
    Nachdem Bohr Newtons Gesetze – zumindest in diesem begrenzten Bereich – einmal aufgegeben hatte, konnte er postulieren, dass Elektronen bestimmte Energieniveaus einnehmen – und zwar gemäß einer von ihm vorgeschlagenen Quantisierungsbedingung, die eine Größe namens Bahndrehimpuls beinhaltet. Bohr zufolge gilt seine Quantisierungsregel auf atomaren Skalen. Die Regeln unterschieden sich von denen, die wir auf makroskopischen Skalen verwenden, wie z.B. für die Erde, die um die Sonne kreist.
    Technisch betrachtet, gilt die Quantenmechanik auch immer noch für diese größeren Systeme. Aber die Effekte sind viel zu klein, um je gemessen oder bemerkt zu werden. Wenn man die Umlaufbahn der Erde oder auch irgendein anderes makroskopisches Objekt betrachtet, kann man die Quantenmechanik ignorieren. Die Effekte mitteln sich bei allen derartigen Messungen weg, so dass jede Vorhersage, die man macht, mit ihrem klassischen Gegenstück übereinstimmt. Wie bereits im ersten Kapitel besprochen wurde, bleiben klassische Vorhersagen für Messungen auf makroskopischen Skalen im Allgemeinen äußerst gute Näherungen – so gut, dass man nicht erkennen kann, dass die Quantenmechanik tatsächlich die tiefere zugrunde liegende Struktur ist. Klassische Vorhersagen sind analog zu den Wörtern und Bildern auf einem äußerst hoch auflösenden Computerbildschirm. Ihnen liegen die vielen Pixel zugrunde, die der quantenmechanischen atomaren Substruktur ähnlich sind. Aber die Bilder und Wörter sind alles, was wir im Allgemeinen sehen müssen (oder wollen).
    Die Quantenmechanik stellt einen Paradigmenwechsel dar, der erst auf der