10 Quantenwahrheiten über unser Universum

Von dem Moment an, als entdeckt wurde, dass die makroskopischen, klassischen Regeln, die Elektrizität, Magnetismus und Licht diktierten, nicht unbedingt für die subatomaren Skalen galten, wurde eine völlig neue Sicht des Universums für die Menschheit offen. Dieses Quantenbild ist viel größer und umfassender als die meisten Menschen verstehen, einschließlich vieler Spezialisten. Hier sind zehn Grundlagen der Quantenmechanik, mit denen Sie möglicherweise erneut untersuchen können, wie Sie sich unser Universum auf kleinsten Skalen und darüber hinaus vorstellen. Schauen Sie sich diese coolen Quantenwahrheiten über unser Universum an:

10 Schrödingers Katze ist entweder tot oder lebendig, nicht beides

Um mit dieser Liste von Quantenwahrheiten über unser Universum zu beginnen, möchten wir Sie zunächst darüber informieren, dass sie in den frühen Tagen der Quantenmechanik nicht gut verstanden wurde, aber die Quantenfunktion makroskopischer Objekte sehr schnell abnimmt. Diese „Dekohärenz” ist auf wiederholte Wechselwirkungen mit der Umwelt zurückzuführen, die an mäßig warmen und kompakten Orten, wie sie zum Leben benötigt werden, nicht zu vermeiden sind. Dies zeigt, dass für das, was wir als Messung betrachten, kein Mensch erforderlich ist. Nur die Interaktion mit der Umgebung zählt. Es zeigt auch, warum es daher sehr schwierig ist, große Objekte in die Überlagerung zweier unterschiedlicher Zustände zu bringen, und die Überlagerung schnell verblasst.

Das schwere Objekt, das bisher in eine Überlagerung von Orten gebracht wurde, ist ein Kohlenstoff-60-Molekül, während die anspruchsvollsten vorgeschlagen haben, diesen Test auf Viren oder sogar schwerere Kreaturen wie Bakterien durchzuführen. Damit ist das Paradoxon gelöst, das Schrödingers Katze einst aufgeworfen hat – die Übertragung einer Quantenüberlagerung (des zerfallenden Atoms) auf ein großes Objekt (die Katze). Wir verstehen jetzt, dass kleine Dinge wie Atome zwar lange Zeit in Überlagerung existieren können, ein großes Objekt sich jedoch in einem bestimmten Zustand sehr schnell niederlassen würde. Deshalb beobachten wir niemals Katzen, die sowohl tot als auch lebendig sind.

9 Aber sie kontrollieren die kleinen Skalen

In der Quantenmechanik ist jedes Teilchen auch eine Welle und jede Welle ist auch ein Teilchen. Die Schlussfolgerungen der Quantenmechanik werden sehr offensichtlich, wenn man ein Teilchen auf Entfernungen beobachtet, die der zugehörigen Wellenlänge ähnlich sind. Deshalb kann die Atom- und Subatomphysik nicht ohne Quantenmechanik erklärt werden, während Planetenbahnen durch Quantenwirkung definitiv unverändert bleiben.

8 Quantenauswirkungen sind nicht unbedingt gering

Wir sehen normalerweise keine Quanteneffekte auf große Entfernungen, da die notwendigen Korrelationen sehr fragil sind. Behandeln Sie sie jedoch sorgfältig genug, und Quanteneffekte können über große Entfernungen andauern. Photonen wurden zum Beispiel über Teilungen von bis zu einigen hundert Kilometern verwickelt. In Bose-Einstein-Kondensaten wurde bei kalten Temperaturen ein entarteter Materiezustand erreicht, bis zu einigen Millionen Atomen wurden in einen kohärenten Quantenzustand induziert. Und schließlich akzeptieren einige Forscher sogar, dass dunkle Materie Quanteneinflüsse haben kann, die sich über ganze Galaxien erstrecken.

7 Es geht nur um Unsicherheit

Das grundlegende Postulat der Quantenmechanik ist, dass es sichtbare Paare gibt, die nicht gleichzeitig gemessen werden können, wie zum Beispiel die Position und der Impuls eines Teilchens. Die Quantenwahrheiten über unser Universum sind, dass Paare als „konjugierte Variablen” bezeichnet werden und die Unmöglichkeit, beide Werte genau zu messen, den Unterschied zwischen einer quantisierten und einer nicht quantisierten Theorie ausmacht. In der Quantenmechanik ist diese Theorie grundlegend, nicht aufgrund experimenteller Mängel. Eine der seltsamsten Manifestationen davon ist die Unsicherheit von Energie und Zeit, was darauf hindeutet, dass instabile Teilchen dank Einsteins E = mc2 von Natur aus unsichere Massen haben.

6 Einstein hat es nicht widerlegt

Einstein war entgegen der landläufigen Meinung kein Quantenmechaniker. Er konnte es wahrscheinlich nicht sein – die Theorie war zunächst so erfolgreich, dass kein ernsthafter Spezialist sie ablehnen konnte. Tatsächlich war es seine mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Entdeckung des photoelektrischen Einflusses, die beweist, dass sich Photonen sowohl als Teilchen als auch als Wellen verhalten, die eine der zentralen Enthüllungen der Quantenmechanik waren. Einstein bestritt stattdessen, dass die Theorie unvollständig sei, und glaubte, dass die natürliche Zufälligkeit von Quantenprozessen eine tiefgreifende Erklärung haben müsse. Es war nicht so, dass er glaubte, die Zufälligkeit sei falsch, er glaubte nur, dass dies nicht das Ende der Geschichte war. Für eine hervorragende Darstellung von Einsteins Ansichten zur Quantenmechanik empfehle ich George Mussers Artikel „Was Einstein wirklich über die Quantenmechanik gedacht hat”.

5 Quantenphysik Ein intensives Forschungsfeld

Die Theorie begann vor mehr als einem Jahrhundert. Aber viele Gesichtspunkte davon wurden nur mit zeitgenössischer Technologie überprüfbar. Quantenoptik, Quantencomputer, Quantenthermodynamik, Quantenkryptographie, Quanteninformation und Quantenmetrologie sind in jüngster Zeit entstanden und unmittelbar sehr intensive Forschungsbereiche. Mit den neuen Fähigkeiten, die mit diesen Technologien erworben wurden, wurden die Investitionen in die Grundlagen der Quantenmechanik wiederbelebt.

4 In einiger Entfernung gibt es keine seltsame Aktion

Nirgendwo in der Quantenmechanik werden Daten jemals nicht lokal gesendet, so dass sie über einen Teil des Raums springen, ohne alle Positionen dazwischen durchlaufen zu müssen. Die Verschränkung ist selbst nicht lokal, führt jedoch keine Aktion aus. Es handelt sich um eine Zuordnung, die nicht mit der nicht lokalen Änderung von Informationen oder anderen sichtbaren Informationen verbunden ist. Wenn Sie eine Untersuchung verstehen, bei der zwei verschränkte Photonen durch einen großen Abstand voneinander getrennt sind und dann der Spin jedes einzelnen gemessen wird, werden keine Daten schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen. Wenn Sie versuchen, die Ergebnisse zweier Beobachtungen zusammenzuführen, können diese Daten nur mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden, nicht schneller! Was „Information” bildet, war in den frühen Tagen der Quantenmechanik eine große Quelle der Unsicherheit, aber wir wissen heute, dass die Theorie perfekt dazu passen kannEinsteins Relativitätstheorie, in der Daten nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit verschoben werden können. Das ist eine der wichtigsten Quantenwahrheiten unseres Universums.

3 Verschränkung nicht identisch mit Überlagerung

Eine Quantenüberlagerung ist die Fähigkeit eines Systems, sich gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen zu befinden, und dennoch findet man, wenn man sie misst, ständig einen bestimmten Zustand und niemals eine Überlagerung. Verschränkung hingegen ist eine Assoziation zwischen zwei oder mehr Teilen eines Systems – etwas völlig anderes. Überlagerung ist nicht grundlegend: Ob ein Zustand eine Überlagerung ist oder nicht, hängt davon ab, was Sie messen müssen. Ein Zustand kann sich zum Beispiel in einer Überlagerung von Positionen und nicht in einer Überlagerung von Momenten befinden – das gesamte Konzept ist also vage. Die Verschränkung ist dagegen eindeutig: Sie ist eine grundlegende Eigenschaft jedes Systems und das bekannteste Maß für die Quantität eines Systems.

2 Quantisierung bedeutet sicherlich keine Diskretion

„Quanta” sind per Definition diskrete Partikel, aber nicht alles wird auf kurzen Skalen klobig oder untrennbar. Die Quantenwahrheiten über unser Universum sind, dass elektromagnetische Wellen aus Quanten bestehen, die als „Photonen” bezeichnet werden, sodass die Wellen als diskretisiert betrachtet werden können. Und Elektronenschalen um den Atomkern können nur klare diskrete Radien haben. Aber andere Teilcheneigenschaften werden selbst in einer Quantentheorie nicht diskret. Der Zustand der Elektronen im leitenden Band eines Metalls ist beispielsweise nicht diskret – das Elektron kann jede kontinuierliche Position innerhalb des Bandes ausfüllen.

1 Alles ist Quantum

Jetzt wissen wir, dass einige Dinge quantenmechanisch sind und andere nicht. Alles folgt den gleichen Gesetzen der Quantenmechanik – es ist nur so, dass Quanteneffekte großer Objekte sehr schwer zu erkennen sind. Aus diesem Grund war die Quantenmechanik ein Neuling in der Entwicklung der theoretischen Physik: Erst als die Physiker begründen mussten, warum Elektronen auf Schalen um den Atomkern sitzen, wurde die Quantenmechanik wesentlich, um genaue Vorhersagen zu treffen.

10 Quantenwahrheiten über unser Universum

1. Alles ist Quantum
2. Quantisierung bedeutet sicherlich keine Diskretion
3. Verschränkung nicht identisch als Überlagerung
4. In einiger Entfernung gibt es keine seltsame Aktion
5. Quantenphysik Ein intensives Forschungsfeld
6. Einstein hat es nicht widerlegt
7. Es geht nur um Unsicherheit
8. Quantenauswirkungen sind nicht unbedingt gering
9. Aber sie kontrollieren die kleinen Skalen
10. Schrödingers Katze ist entweder tot oder lebendig, nicht beides

Geschrieben von: AC Claudia