Quantenphysik für Dummies (Für Dummies) (German Edition)

hochenergetischen Photonen (die sogenannten Gamma-Strahlen), die aus dem Weltall auf die Erde treffen. Sie verwendeten Nebelkammern , die mit dem Dampf von Trockeneis gefüllt waren, um die Spuren dieser Teilchen sichtbar zu machen. Wenn man diese Kammern in Magnetfelder brachte, konnte man anhand der Krümmung der Bahnen den Impuls der Teilchen bestimmen.
    Im Jahr 1932 beobachtete ein Physiker ein sehr überraschendes Ereignis. Ein Paar von entgegengesetzt geladenen Teilchen (das konnte man anhand der Krümmungen im Magnetfeld feststellen) erschien plötzlich wie aus dem Nichts. Es gab keine Teilchenspur, die zum Entstehungsort der beiden neuen Teilchen führte. Diesen Prozess nennt man Paarerzeugung : Die Umwandlung eines hochenergetischen Photons in ein Elektron und ein Positron, zu der es kommen kann, wenn das Photon an einem schweren Atomkern vorbeifliegt.
    Die Physiker hatten nun also experimentell beobachtet, wie sich ein Photon in ein Teilchenpaar umwandelt. Mehr Beweise für die Teilchennatur von Licht brauchte man nun wirklich nicht! Später wurde übrigens auch die Paarvernichtung beobachtet: Die Umwandlung eines Elektrons und eines Positrons in Licht.
    Es stellte sich heraus, dass Paarerzeugung und -vernichtung von Einsteins neuer Relativitätstheorie bestimmt werden. Insbesondere gilt seine berühmte Formel E = mc 2 , die die Beziehung zwischen Energie und Masse herstellt. Zu diesem Zeitpunkt verfügte man also über eine Vielzahl von Beweisen für die Teilchennatur von Licht.

Man kann nicht alles wissen (aber die Wahrscheinlichkeiten berechnen)
    Ganz augenscheinlich besitzen Teilchen Wellencharakter und Wellen Teilchencharakter. Aber was ist nun ein Elektron – ist es eine Welle oder ein Teilchen? Die Antwort ist, dass physikalisch gesehen ein Elektron ein Elektron ist und man nicht von vornherein sagen kann, ob es sich wie eine Welle oder ein Teilchen verhält. Erst der Prozess der Messung legt den Charakter des Elektrons fest. Diese Vorstellung wird uns durch das ganze Buch begleiten.
    Die Quantenphysik lebt eigentlich sehr gut mit diesen Unbestimmtheiten. Zu Beginn missfielen sie vielen bedeutenden Physikern, insbesondere Albert Einstein, dessen berühmter Ausspruch lautete: »Gott würfelt nicht.« Der folgende Abschnitt erläutert den Begriff der Unschärfe und wie die Physiker mit Wahrscheinlichkeiten arbeiten.

Die Heisenberg'sche Unschärferelation
    Die Tatsache, dass Teilchen einen wellenartigen Charakter besitzen, wirft ein weiteres Problem auf: Wellen sind im Raum nicht lokalisiert. Das Wissen um dieses Problem veranlasste im Jahr 1927 Werner Heisenberg dazu, seine berühmte Unschärferelation zu entwickeln.
    In der klassischen Physik ist es möglich, ein Objekt durch die Angabe seines Impulses und seines Ortes zu beschreiben. Beide können sehr genau gemessen werden. Mit anderen Worten: die klassische Physik ist vollständig deterministisch .
    Auf atomarer Ebene hingegen zeichnet die Quantenphysik ein völlig anderes Bild. Die Heisenberg'sche Unschärferelation besagt, dass eine inhärente Unschärfe in der Beziehung zwischen Ort und Impuls existiert. Für die x-Richtung lautet sie beispielsweise:

    wobei Δx die Messunschärfe der Position eines Teilchens in x-Richtung ist, Δp x die Unschärfe des Impulses in x-Richtung und= h/2π.
    Dies besagt mit anderen Worten folgendes: Je genauer man die Position eines Teilchens kennt, umso größer ist die Unschärfe des Impulses, und umgekehrt. Diese Beschreibung gilt für alle drei Richtungen:

    Die Heisenberg'sche Unschärferelation ist eine direkte Folge des Wellencharakters von Teilchen, da man eine Welle nicht genau lokalisieren kann.
    Anders als die klassische Physik ist die Quantenphysik vollkommen undeterministisch. Man kann Ort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig genau kennen. Man kann für diese gekoppelten Größen nur Wahrscheinlichkeiten angeben.

Die Würfel rollen: Quantenphysik und Wahrscheinlichkeiten
    In der Quantenphysik wird der Zustand eines Teilchens durch seine Wellenfunktion ψ( r , t) beschrieben. Diese Wellenfunktion gibt die de-Broglie-Welle des Teilchens an, wobei ihre Amplitude eine Funktion von Raum und Zeit ist (weitere Einzelheiten über de Broglie findet man weiter vorne im Abschnitt »Eine doppelte Identität: Die Wellennatur von Teilchen«).
    Man beachte, dass die Wellenfunktion die Amplitude eines Teilchens angibt, nicht die Intensität. Wenn man die Intensität einer Wellenfunktion wissen will, muss