Quantenobjekte sind etwas anders

Quantenobjekte sind Dinge, die sich unserer Einordnung in klassische physikalische Bilder widersetzen. Sie erscheinen bei manchen Experimenten wie kleine Teilchen und bei anderen wie ausgedehnte Wellenzüge. Die wichtigsten Quantenobjekte im Unterricht sind das Photon und das Elektron. Zu den physikhistorischen Binsenweisheiten gehört, dass Albert Einstein die Quantentheorie, also die physikalische Behandlung der Quantenobjekte, sein Leben lang für eine unvollständige Theorie gehalten hat. Zu seinen Kritikpunkten gehörten besonders der statistische Charakter dieser Theorie und ihre Nichtlokalität (s.u.). In amerikanisch pragmatischer Art und Weise stellte der Nobelpreisträger Richard Feynman wiederholt sinngemäß fest, die Natur sei eben verrückt und man müsse das akzeptieren. Das besondere (verrückte) Verhalten der Quantenobjekte kann man an fünf Schlagworten festmachen, die hier zunächst kurz und dann jeweils auf einer eigenen Seite erläutert werden. Auch wenn das seltsame Verhalten der Quantenobjekte sie aus unserer normalen Welt zu rücken scheint: Quantenobjekte sind die Grundlage dieser Welt.

Im Schulunterricht bekommt man leicht den Eindruck, dass physikalische Theorien etwas Fertiges und absolut Sicheres sind. Das stimmt sicher bei einigen Theorien aber kaum bei der Quantentheorie. Beim Vergleich verschiedener Texte bemerkt man z.B., dass Begriffe unterschiedlich verwendet und interpretiert werden oder dass bei der Erklärung von Phänomenen zwischen verschiedenen Gedankenbildern gewechselt wird. Das ist "Work in progress".
In den letzten Jahren haben sich die experimentellen Möglichkeiten sehr verbessert und aus bisherigen Gedankenexperimenten wurden spektakuläre Realexperimente, die wie die Quantenteleportation sogar ihren Weg in die Populärwissenschaft gefunden haben. Im Bereich der Quantentheorie wird es bald sicher noch einige Überraschungen geben. Eine Sammlung toller Experimente ist hier im Werden.

Hier aber zuerst einmal die Schlagworte:

Statistischer Charakter der Ψ-Welle (Psi-Welle)

Die bei Lichtquanten aber auch bei Elektronen beobachtete Interferenz legt es nahe, Quantenobjekte mit den mathematischen Methoden zu bearbeiten, die sich bei Wellen bewährt haben. In der Tradition von de Broglie "ordnet" man allen Quantenobjekten eine Welle zu, die Materiewelle. Ihre Wellenlänge wird aus dem Impuls des Quantenobjektes berechnet (λ_B = h / p). Mit dieser Welle lassen sich die Interferenzbilder von Elektronen berechnen, wie sie auf der Seite Elektronenbeugung zu sehen sind. Es bleibt aber die Frage, ob diese Zuordnung rein formal ist oder ob sie einen weiteren physikalischen Sinn hat.
Eine (posititve) Antwort auf diese Frage verdanken wir dem deutschen Physiker Max Born. Nach seiner Wahrscheinlichkeitsinterpretation gibt das Quadrat (Ψ(x))² die Wahrscheinlichkeit dafür an, das Quantenobjekt am Ort x zu finden.

Nichtlokalität

Physikalische Wechselwirkungen erfolgen immer auf Distanz also nicht lokal. Z.B. wirken beim Stoß zweier Bälle eigentlich die elektrischen Felder der Teilchen, aus denen die Bälle bestehen, aufeinander. Darum geht es hier nicht. Eine elektrisch geladene Metallkugel wirkt auf ihre Umgebung ein. Allerdings dauert es eine Weile, bis fernere Teile der Welt davon etwas merken. Jede physikalische Wirkung breitet sich maximal mit Lichtgeschwindigkeit aus. Wenn die Wirkung "noch nicht da ist", merkt man von der Kugel nichts. Bei bestimmten quantenphysikalischen Experimenten scheinen sich Wirkungen aber beliebig schnell auszubreiten. Derartige (Gedanken-) Experimente wurden von Einstein u.a. (Einstein-Podolsky-Rosen-Experimente) erdacht und verwendet, um die Probleme der Quantentheorie deutlich zu machen. Heutige EPR-Realexperimente weisen die Nichtlokalität über mehrere Kilometer hinweg nach. Das gleichzeitige Erleben der Welt oder doch von Teilen der Welt gehört zur Natur der Quantenobjekte. Es zeigt sich z.B. auch bei der gewöhnlichen Ausbreitung von Licht oder bei Doppelspaltexperimenten.

Messpostulat

Diese Bezeichnung habe ich belassen obwohl ich sie sehr unglücklich finde. Das Messpostulat besagt, dass bei einer Messung, z.B. bei der Registrierung von Photonen auf einem Film, aus der Vielzahl der möglichen Orte des Photons einer realisiert wird. Im Prinzip geht es darum, dass Quanten in ihrem Bewegungsverhalten einen diffusen Eindruck machen, bei Wechselwirkungen miteinander aber an einem Punkt lokalisiert wirken.
Unglücklich finde ich den Namen deshalb, weil er der Messung – also der Beobachtung durch den Menschen – so eine besondere Bedeutung gibt. Jede Wechselwirkung von Quantenobjekten wirkt aber wie eine Messung. Eine Theorie, die das aufgreift, ist die Dekohärenztheorie.

Superpositionsprinzip

Wie sich ein Quantenobjekt tatsächlich verhält, hängt von der Summe seiner möglichen Verhaltensweisen ab. Alle möglichen Ergebnisse eines Experimentes müssen nach bestimmten Regeln zusammengefasst werden, um eine (statistische) Aussage über das tatsächliche Ergebnis machen zu können. Richard Feynman zeigt das in seinem Buch "QED - Die seltsame Theorie des Lichtes und der Materie" u.a. am Beispiel des Reflektionsgesetzes. Nimmt man dem Licht Wege, ändert es sein Verhalten auch dann, wenn diese Wege klassisch überhaupt keine Rolle spielen sollten.

Komplementarität

Zuerst in Gedankenexperimenten und später auch in Realexperimenten wurde versucht, das statistische und widerspenstige Verhalten von Quantenobjekten näher einzugrenzen. Kann man nicht doch bei einem Doppelspaltexperiment feststellen, durch welchen Spalt das Photon gegangen ist? Nein! Jeder Versuch den Weg eines Photons zu messen verändert das eigentliche Experiment so, dass keine Interferenz mehr auftritt. "Interferieren" und "sich auf einer bestimmten Bahn bewegen" sind komplementäre Vorgänge, die man nicht gleichzeitig haben kann. Sie widersprechen sich eigentlich, sind aber für eine vollständige Beschreibung der Natur erforderlich. Das versteht man unter komplementär. Ähnliches gilt, wenn man den Aufenthaltsort und das Bewegungsverhalten eines Quantenobjektes feststellen will.