Stell' dir ein Gedankenexperiment mit einem großen präparierten Ball
vor. Eine LED in seinem Inneren: blitzt auf, wenn er von einem kleineren
Ball getroffen wird.
1. Ein Gedankenexperiment aus dem Bereich der
klassischen Physik
Im Raum herrsche absolute Dunkelheit; es ist nur sicher, dass ein großer
Ball vorhanden ist. Sein Ort ist ungewiss, aber jeder
weiß, dass sich der Ball an einem Ort im Raum befindet. Wenn aber der
Beobachter mit einem kleinen Ball den großen Ball trifft, blitzt in diesem
die LED auf. Wird er gleich darauf ein zweites Mal getroffen, blitzt sie
quasi am gleichen Ort auf: Der Ort des Blitzes verrät den Ort des großen
Balls, sogar reproduzierbar; er ist jetzt gewiss.
Im Allgemeinen vergeht aber zwischen beiden Würfen eine Zeitspanne. In
ihr bewegt sich der große Ball weiter, auch weil er vom kleinen Ball
weggestoßen wurde, und wird in der Regel ein zweites Mal nicht mehr am
gleichen Ort getroffen. Gelingt es, den Ball auch jetzt zu treffen und den
Ort des Aufblitzens zu registrieren, kann man daraus die
Geschwindigkeit berechnen, wenn man die inzwischen verstrichene Zeitspanne
kennt. Dann kann man die (mittlere) Geschwindigkeit im Zeitintervall
zwischen beiden Würfen errechnen. Vor dem zweiten Wurf war auch die Geschwindigkeit
völlig ungewiss. Im Augenblick des zweiten Aufblitzens ist der Ort
gewiss und die bis dahin erreichte Geschwindigkeit immerhin ungefähr.
Durch den zweiten Wurf erhält aber der große Ball einen Stoß und wird
weggeschleudert. Für spätere Zeitpunkte sind Ort und Geschwindigkeit erst
recht ungewiss. Gewissheit für den erreichten Ort und die mittlere
Geschwindigkeit in der Zwischenzeit könnte ein dritter Treffer
verschaffen. Durch den Stoß wird aber in der Regel die Geschwindigkeit
erneut verändert, so dass beide, Ort und Geschwindigkeit, für einen
späteren Zeitpunkt ungewiss sind. Über Ort und Geschwindigkeit kann man so
keine gewisse Kenntnis erlangen. Es sieht so aus, als würde sich der große
Ball zwischen den einzelnen Stößen unkontrollierbar verhalten.
2. Theoretisch ist Gewissheit in der klassischen Physik
erreichbar
Weitgehende Gewissheit könnte man aber leicht erreichen: Man
müsste nur das Licht einschalten und könnte durch Handstoppen oder besser
mit einer Videokamera die Orte im Laufe der Zeit registrieren und daraus
sogar die Geschwindigkeiten im Laufe der Zeit berechnen. Zwar ist jede
Messung mit Fehlern behaftet, aber im Prinzip könnten Ort und
Geschwindigkeit beliebig genau gemessen werden. Die vorherige Ungewissheit
ist dann in (weitgehende) Gewissheit für Ort und Geschwindigkeit übergegangen.
Es ist sogar die Bahn des großen Balls im Laufe der Zeit zu beobachten.
Von solchen Eigenschaften ist auch in der Mikrophysik (Atomphysik,
Quantenphysik) die Rede. Sie heißen dann "klassisch denkbare
Eigenschaften". Warum diese vorsichtige Bezeichnung nötig ist, wirst
du gleich verstehen.*)
3. Tatsächliche gibt es auch in der klassischen Physik
Grenzen der Gewissheit
In der Praxis wird es aber durch die unvermeidbaren Messfehler
unmöglich sein, absolute Gewissheit über eine Messgröße zu erzielen. Das
ist häufig verschmerzbar. Es reicht in der klassischen Physik häufig aus,
statt mit exakten Werten mit guten Näherungswerten zu arbeiten.
Bei sehr großen Systemen ist es zudem praktisch unmöglich, auch
nur halbwegs sichere Kenntnis über jedes der einzelnen Teile zu erhalten.
Wenn wir nicht nur einen großen Ball, sondern sehr viele hätten, würde
auch eine Videoaufzeichnung bei Licht oder noch raffiniertere Verfahren
uns nicht einmal näherungsweise die Orts- und Geschwindigkeits-Koordinaten
aller Bälle verraten. Ganz aussichtslos ist das bei einem Gas, bei
dem wir von typisch 1023 Atomen oder Molekülen ausgehen müssen.
Zum Glück haben die Physiker statistische Methoden entwickelt,
mit denen wenigstens für die Mittelwerte (Erwartungswerte) von
physikalischen Größen Gesetzmäßigkeiten mit sicheren Ergebnissen
formuliert werden können. Niemand interessiert sich für die Messwerte von
allen einzelnen Atomen oder Molekülen. Für ein bestimmtes Molekül sind
diese völlig ungewiss, obwohl jeder im Bereich der klassischen
Physik annimmt, dass jedes Molekül zu einem bestimmten Zeitpunkt einen
bestimmten Ort und eine bestimmte Geschwindigkeit besitzt, Eigenschaften,
die lediglich unbekannt sind.
Eine andere, aber damit zusammenhängende Frage ist, ob man für ein
bestimmtes System aus beschränkt sicheren Anfangsbedingungen die Zukunft
berechnen kann. Diese Fragestellung wird auch in der Chaostheorie
im Zusammenhang mit Kausalität
und Determiniertheit untersucht.
So geht man also in der klassischen Physik davon aus, dass in vielen
Fällen die Kenntnis von physikalischen Größen mehr oder weniger ungewiss
ist. Gründe könnten sein:
- unzureichende Messverfahren,
- Messfehler,
- eine Überzahl von Teilchen,
- zu schnelle Änderungen (die zu Schwankungsbereichen an sich wohl
definierter Messgrößen führen könnten)
Dennoch geht man im Bereich der klassischen Physik davon aus, dass die
betreffenden Messgrößen im Prinzip wohl definiert sind und
zu einem bestimmten Zeitpunkt feste, exakte Werte haben, dass diese aber
in vielen Fällen unbekannt oder nur näherungsweise bekannt sind.
Dann spricht man von Ungewissheit.
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Es gibt noch ein Nebenproblem: Auch, wenn wir den Ort zu
einem bestimmten Zeitpunkt gemessen haben, kennen wir nach diesem
Verfahren die Geschwindigkeit nur im Intervall vorher. Wenn wir
aber die Intervalllänge möglichst klein wählen, gelten Ort und
Geschwindigkeit praktisch für den gleichen Zeitpunkt, aber nicht
unbedingt für die Zukunft. |
4. Schon klassisch wäre es im atomaren Bereich
schwierig, Gewissheit zu erreichen
Im atomaren Bereich, der durch die Quantenphysik beschrieben
wird, hat man i.A. erst recht Schwierigkeiten, für einen bestimmten
Zeitpunkt Ort oder Geschwindigkeit anzugeben. Beleuchtung mit Licht würde
auf der mikroskopischen Skala den Beschuss mit Photonen bedeuten. Wenn die
klassische Physik weiterhin gelten würde, wären die Bereiche der
Ungewissheit noch viel größer, weil dort das beobachtete Teilchen
(Elektron oder Atom - großer Ball) und die Geschossteilchen
(Photonen - kleine Bälle) häufig vergleichbaren Impuls**)
haben und weil - klassisch gesprochen - die Geschossteilchen das gestoßene
Elektron oder Atom stärker anstoßen bzw. (klassisch) "stören"
könnten. Auch wäre die Ungewissheit beliebig groß, solange nicht eine
Messung vorgenommen würde. Elektronen, Atome, Photonen, Protonen,
Neutronen und viele andere Teilchen im atomaren Bereich werden in der
Quantenphysik häufig als Quantenteilchen bezeichnet.
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5. Aber: Klassisch denkbare Eigenschaften muss ein
Quantenteilchen ohne eine Messung nicht in jedem Fall haben
(Un-be-stimmtheit).
Aber im atomaren Bereich gibt es keine Möglichkeit, durch einen
Trick wie das Einschalten des Lichts, alle Ungewissheiten zu beseitigen,
die Ungewissheit in Gewissheit überzuführen.
Die verschiedensten Experimente lassen sich nur mit der Annahme deuten,
dass Quantenteilchen ohne eine Messung eine Reihe von klassisch denkbaren
Eigenschaften i.A. nicht haben, wenn diese nicht gemessen werden.
Man nennt solche Eigenschaften un-be-stimmt.
Betrachte ein Elektron in einem Wasserstoff-Atom. Da das Atom existiert
und nach außen hin neutral ist, ist die Anwesenheit eines Elektrons
gesichert. Aber ohne eine Messung ist es auf keine Weise möglich,
seinen Ort anzugeben. Man kann ohne eine Messung nicht einmal entscheiden,
ob es sich an irgendeinem Ort befindet oder nicht. (Wenn es in
dieser Aussage keinen Ort hätte, hieße das, dass der Begriff Ort für das
Quantenteilchen gar keinen physikalischen Sinn hat - für klassische
Gegenstände ist das kaum vorstellbar.) Sein Ort ist unbekannt,
aber nicht nur ungewiss, sondern un-be-stimmt. Es sei denn,
man führt eine Ortsmessung für das Elektron durch. Im Idealfall liefert
die Messung dann einen be-stimmten
Ort. (Bei einer - schwer durchzuführenden - idealen Messung würde
sich kurz darauf sogar der gleiche Ort ergeben. Das beweist, dass das
Elektron jetzt diesen Ort wirklich hat; die
Ortsmessung ist reproduzierbar, wie das bei einer anständigen
Messung sein muss). Jetzt hat der Ortsbegriff für das Quantenteilchen
einen Sinn erhalten. (Stattdessen ist es - wie unten gezeigt wird -
physikalisch sinnlos geworden, von einer Bewegung zu sprechen, obwohl
vorher vielleicht eine Geschwindigkeit gemessen wurde. Dieser Messwert ist
jetzt ungültig geworden.)
Entsprechend könnten wir auch nach der Geschwindigkeit des
Elektrons fragen. Ohne eine Messung ist es auf keine Weise
möglich, seine Geschwindigkeit anzugeben. Man kann ohne eine Messung nicht
einmal entscheiden, ob es irgendeine Geschwindigkeit hat oder nicht. (Wenn
es in dieser Aussage keine Geschwindigkeit hätte, hieße das nicht, dass es
ruht, sondern, dass der Begriff Bewegung für das Quantenteilchen gar
keinen physikalischen Sinn hat - für klassische Gegenstände ist das kaum
vorstellbar.) Seine Geschwindigkeit ist unbekannt, aber nicht nur
ungewiss, sondern sogar un-be-stimmt.
Es sei denn, man führt eine Geschwindigkeitsmessung für das Elektron
durch. Im Idealfall liefert die Messung dann eine be-stimmte
Geschwindigkeit. (Bei einer - schwer durchzuführenden - idealen
Messung würde sich kurz darauf sogar die gleiche Geschwindigkeit ergeben.
Das beweist, dass das Elektron jetzt diese Geschwindigkeit
wirklich hat; die Geschwindigkeitsmessung ist reproduzierbar,
wie das bei einer anständigen Messung sein muss). Jetzt hat der
Geschwindigkeitsbegriff für das Quantenteilchen einen Sinn erhalten.
(Stattdessen ist es - wie unten gezeigt wird - physikalisch sinnlos
geworden, von einem Ort zu sprechen, obwohl vorher vielleicht ein Ort
gemessen wurde. Dieser Messwert ist jetzt ungültig geworden.)
Würden wir in der selben Situation ("im selben Zustand") immer wieder
den Ort oder die Geschwindigkeit des Elektrons messen, so würden wir im
Allgemeinen streuende Messwerte erhalten. Aber nicht nur deshalb,
weil sich in der Zwischenzeit das Elektron auf einer vermeintlichen Bahn
weiter bewegt hat, sondern weil ohne die Messung der Ort z.B. keine
Eigenschaft des Elektrons ist. Schlampig sage ich dann manchmal: Auf eine
dumme Frage ("Elektron, wo bist du?") kommt auch eine dumme Antwort
(einmal hier, einmal dort). Un-be-stimmtheit ist mit streuenden
Messwerten verbunden. Die Quantentheorie erlaubt es
erfreulicherweise, Wahrscheinlichkeiten für das Eintreten solcher
Messwerte gesetzmäßig zu erfassen und vorherzusagen. Dazu gibt es
verschiedene Verfahren, u.a. mit Hilfe der Schrödinger-Gleichung.
Bei den Zuständen, die der klassischen elektromagnetischen Welle
einer Laserschwingung am nächsten kommen, sind ohne eine Messung die
elektrische und die magnetische Feldstärke un-be-stimmt. Damit hängt auch
zusammen, dass auch die Zahl der beteiligten Photonen ohne eine Messung
un-be-stimmt ist. Führen wir Messungen der Photonenzahl tatsächlich durch,
würden wir einmal diesen Wert erhalten, ein andermal jenen. Ähnlich
verhält es sich bei einem Atomlaser. Dass die Teilchenzahl un-be-stimmt
ist, widerspricht unseren Vorstellungen gründlich! (Solche Zustände heißen
kohärente Zustände.)
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6. Ein Quantenteilchen kann manche Paare von klassisch
denkbaren Eigenschaften nicht gleichzeitig haben (Komplementäre
Eigenschaften)
Hat man nach diesen beiden Messungen also Ort und Geschwindigkeit des
Elektrons? Ja, aber sie sind zu ganz verschiedenen Zeitpunkten gültig. Es
gelingt nicht, für den gleichen Zeitpunkt gleichzeitig gültige Messwerte
zu erhalten. Die Geschwindigkeitsmessung macht eine vorherige Ortsmessung
ungültig, eine Ortsmessung eine vorherige Geschwindigkeitsmessung. Ort und
Geschwindigkeit sind nicht gleichzeitig messbar; sie sind komplementär
zueinander. Ohne eine Messung hat es keinen physikalischen Sinn von
Ort und Geschwindigkeit als Eigenschaften des Elektrons zu sprechen.
Deshalb heißen sie un-be-stimmt.
In diesem Sinn sagt man manchmal, ein Elektron habe ohne eine
Messung keine Geschwindigkeit. Dann kann man weder aussagen, dass
das Elektron ruht, noch dass es in Bewegung ist. Es ist dann physikalisch
sinnlos, von einer Geschwindigkeit oder Bewegung des Elektrons zu
sprechen.
Wenn man in diesem Sinn sagt, das Elektron habe ohne eine
Messung keinen Ort, dann kann man weder aussagen, dass sich das Elektron
an einem bestimmten Ort befindet, noch dass es über die ganze Welt oder
einen Teil von ihr verteilt ist. Es ist dann physikalisch sinnlos,
von einem Ort des Elektrons zu sprechen.
Zwar kann nach einer Messung der Ort des Elektrons be-stimmt sein. Dann
ist dieser Ort tatsächlich Eigenschaft des Elektrons, wenigstens einige
Zeit lang. Oder es kann nach einer Messung die Geschwindigkeit des
Elektrons be-stimmt sein. Dann ist diese Geschwindigkeit tatsächlich
Eigenschaft des Elektrons, wenigstens einige Zeit lang. Aber die
Quantenphysik lehrt, dass Ort und Geschwindigkeit des Elektrons niemals gleichzeitig
Eigenschaft des Elektrons sein können.
Es gibt noch viele weitere Paare klassisch denkbarer Eigenschaften eines
Quantenteilchens, die nicht gleichzeitig gültig sein können. Sie heißen komplementäre
Eigenschaften.
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7. Ein physikalisches Experiment mit einem
LCD-Bildschirm und einer Polarisationsbrille
Polarisiertes Licht ist Licht, bei dem der Vektor der elektrischen
Feldstärke in einer bestimmten Richtung schwingt. Von einem LCD-Bildschirm
geht solches polarisiertes Licht aus. Er enthält einen Polarisator PO.
Besorge dir eine Polarisationsbrille. Die eingesetzten Folien lassen
für die beiden Augen nur senkrecht zueinander polarisiertes Licht durch.
Markiere die beiden Polarisationsrichtungen durch einen Pfeil (Es kommt
nur darauf an, dass beide Pfeile senkrecht zueinander stehen). Trenne die
beiden Polarisatoren, beschrifte einen mit AN (Analysator), den anderen
mit T (Tester). Z.B. beim Stark-Verlag kannst du eine solche
Polarisationsbrille für wenige Euro erwerben.
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1. Versuch: Ermittle mit dem Tester T die
Polarisationsrichtung des vom Bildschirm (BS) ausgehenden Lichts
(Orientierung 1). Offenbar hat das Licht des Bildschirms bzgl der
Orientierung 1 be-stimmte Polarisation. Alles Licht, alle
Photonen, die den Bildschirm verlassen, haben diese
Polarisationsrichtung als Eigenschaft.
2. Versuch: Auch durch den Analysator AN tritt das
aus T austretende Licht, wenn die Pfeile auf AN und T
gleichgerichtet (Orientierung 1). Das bestätigt: Die
festgestellte Polarisation der vom Bildschirm austretenden
Photonen ist wirklich eine (be-stimmte) Eigenschaft von ihnen.
3. Versuch: Drehe jetzt AN (ohne T). Bei den meisten
Orientierung von AN tritt immer noch Licht aus, wenn auch
weniger als beim Versuch 1. Stelle mit T fest, welche be-stimmte
Polarisation die durch AN tretenden Photonen jetzt haben
(Orientierung 2). Offenbar haben sie jetzt eine andere
Polarisation als beim Versuch 1. Dessen Polarisation haben sie
völlig vergessen.
4. Versuch: Orientiere jetzt T so (ohne AN), dass kein
Licht hindurchtritt (Orienterung 3 senkrecht Orientierung 1).
Die be-stimmte Polarisation der austretenden Photonen bzgl. der
Bildschirmpolarisation wird bestätigt.
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| Zu Versuch 4: Die den Bildschirm BS verlassenden
Photonen haben be-stimmte Polarisation bzgl. Orientierung 1 (hier
waagrecht). |
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5. Versuch: Schiebe jetzt AN zwischen Bildschirm und T.
Wenn T und AN gleich orientiert sind, ändert sich nichts daran,
dass kein Licht hindurchtritt. Aber du kannst AN auch drehen. Bei
den meisten Orientierungen von AN (Orienterung 2) tritt auf einmal
Licht durch T hindurch. Den Analysator AN haben Photonen
verlassen, die nicht mehr wie die Bildschirm-Photonen
(Orientierung 1) polarisiert sind; andernfalls würde sie T
blockieren. Das bestätigt, dass die durch AN hindurchtretenden
Photonen vergessen haben, dass sie den Bildschirm in einer anderen
Polarisation verlassen haben. |
Zu Versuch 5: T lässt keine Photonen mit be-stimmter
Polarisation bzgl.
Orientierung 1 durch, wohl aber Photonen mit be-stimmter
Polarisation bzgl Orientierung 2 (zugleich un-be- stimmter bzgl.
Orientierung 1). |
(Hinweis: Es spielt keine Rolle, dass die Polarisationsbrille
evtl. zirkular polarisiertes Licht erzeugt.) |
Versuch 2 kann man auch so deuten: Eine ideale quantenmechanische
Messung ist reproduzierbar.
Versuch 3 sagt uns, dass durch eine Messung eine Eigenschaft be-stimmt
wird. Obwohl die aus dem Bildschirm austretenden Photonen eine
be-stimmte Polarisation hatten (bzgl. Orientierung 1), erzeugt eine neue
Messung bzgl. einer anderen Polarisationsrichtung wieder eine be-stimmte
Polarisation, diesmal bzgl. der anderen Orientierung 2. Oder auch: Obwohl
das Licht aus dem Bildschirm be-stimmte Polarisation bzgl.
Orientierung 1 hat, hat es zugleich un-be-stimmte Polarisation
bzgl. Orientierung 2. Das ermöglicht den Durchtritt durch AN.
Versuch 5 sagt uns, dass durch die zweite Messung der Polarisation
mittels AN die Eigenschaft "be-stimmte Polarisation bzgl Orientierung 1"
verloren gegangen ist. Man kann nicht zugleich be-stimmte Polarisation
bzgl. Orientierung 1 und be-stimmte Polarisation bzgl. Orientierung 2
haben. Beide Eigenschaften sind komplementär zueinander.
Versuch 5 heißt auch Quantenauslöscher, weil durch AN die
Eigenschaft "be-stimmte Polarisation bzgl. Orientierung 1" vollkommen
ausgelöscht worden ist.
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Bei dem Licht des Bildschirms sind außerordentlich viele
Photonen beteiligt. Deswegen lassen sich die Beobachtungen auch
anders erklären. Hätten wir genügend empfindliche Sensoren, würden
alle beschriebenen Beobachtungen auch für einzelne Photonen
gelten, wofür es keine andere Erklärung gäbe.
In einer Simulation mit dem Programm POLARIS.exe
vom Autor kannst du das nachvollziehen.
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| Bildschirmfoto vom Programm POLARIS.exe zum
Quantenauslöscher. |
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Ein weiteres Beispiel
mit Elektronen belegt ganz ähnlich, dass eine klassisch denkbare
Eigenschaft, die in der Quantenphysik un-be-stimmt ist, nicht nur
unbekannt ist, sondern ohne eine Messung gar keinen physikalischen Sinn
hat. Dort wird auch gezeigt, dass komplementäre Messgrößen nicht
gleichzeitig als Eigenschaften existieren, und dass die Messung einer
Größe A eine frühere Kenntnis einer komplementären Größe B ungültig
macht.
Bei den kohärenten Zuständen, die der klassischen elektromagnetischen
Welle einer Laserschwingung am nächsten kommen, sind z.B. die Photonenzahl
und die Phase der elektromagnetischen Welle komplementär.
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8. Vergleich von Planetensystem und Atom
Wenn ein Planet um die Sonne kreist, können wir im Prinzip für jeden
Zeitpunkt Ort und Geschwindigkeit angeben. Beide sind dann be-stimmt.
Die Planetenbewegung wird durch die klassische Physik richtig
beschrieben. Es gibt eine Planetenbahn als Folge von
(gleichzeitigen) Orts- und Geschwindigkeitskoordinaten im Laufe der Zeit.
Für das Elektron im Atom kann man zwar Ort und Geschwindigkeit jeweils
getrennt/unabhängig messen, aber es gibt keinerlei Möglichkeit für den
gleichen Zeitpunkt Ort und Geschwindigkeit anzugeben, und erst recht,
keinerlei Möglichkeit aus einem solchen Wertepaar auf das Wertepaar zu
einem anderen Zeitpunkt zu schließen. Un-be-stimmtheit und
Komplementarität verhindern die Existenz einer Elektronenbahn im
Atom. Hier muss die klassische Physik durch die Quantenphysik ersetzt
werden.
Nun hast du vielleicht "Elektronenbahnen" im Fadenstrahlrohr oder im
gasgefüllten Modell einer Kathodenstrahlröhre gesehen. Und auch beim
Oszilloskop spricht jeder von einer "Elektronenbahn" von der Kathode zum
Bildschirm. Ein Widerspruch?
Nein: Die Spuren, die die Elektronen im Gas hinterlassen, haben
vielleicht einen Durchmesser (längs eines Querschnitts) von wenigen mm,
weil nicht die Elektronen, sondern die von den Elektronen durchlaufenen
Gasatome leuchten, wobei die Elektronen vielfach - klassisch gesprochen -
Zickzackbahnen durch das Gas nehmen; Elektronen sind kleiner als jede
messbare Größe. Sie kann man sicher nicht sehen. Aber, wie z.B. beim
Oszilloskop, gibt es Fälle, wo man modellmäßig im Rahmen der klassischen
Physik von Elektronenbahnen ausgehen kann, nicht aber in atomaren
Dimensionen! Der Physiker Ehrenfest
hat sogar gefunden, dass sich die Mittelwerte (Erwartungswerte) von Ort
und Geschwindigkeit (um die tatsächliche Messwerte an den Elektronen
streuen) weitgehend klassisch verhalten. Die Un-be-stimmtheiten von Ort
und Geschwindigkeit in unserer klassischen Erfahrungswelt
existieren im Prinzip auch, aber sie sind so klein, dass sie hier
nicht bemerkt werden.
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9. Zusammenfassung
All dies widerspricht gründlich unserer Erfahrung, die wir aus unserer
makroskopischen Umgebung gewonnen haben. Gut, ein Tennisball hat
gleichzeitig einen bestimmten Ort und eine bestimmte Geschwindigkeit. Wir
glauben mit Recht, dass das auch dann der Fall ist, wenn wir ihre Werte
nicht kennen. Aber warum sollte das in der Mikrophysik genauso sein, wo
wir gar keine Alltagserfahrungen haben und neue Erfahrungen erst durch das
gewinnen können, was uns Experimente über die Mikrophysik lehren? Warum
sollten wir denn von einem Elektron oder Atom verlangen, dass es zu jeder
Zeit, auch, wenn wir keine Messung vornehmen, irgendeine klassisch
denkbare Eigenschaft auch hat, wie eine bestimmte
Orientierung des Drehimpulses (Spins), einen Ort oder eine
Geschwindigkeit?
| Von dem Vorurteil aus der klassischen Physik , dass
Quantenteilchen (und andere Quantenobjekte) klassisch
denkbare Eigenschaften auch dann haben, wenn sie
nicht gemessen sind, müssen wir uns für die Mikrophysik trennen. |
Du wirst vielleicht noch viele moderne Experimente kennen lernen, die
deine Erfahrung auf den mikroskopischen Bereich erweitern. Solche neuen
Erfahrungen erfordern viel Gewöhnung. Wir müssen uns ständig bewusst
machen, dass die makroskopische Physik in der Mikrophysik nur mehr
teilweise anwendbar ist. Gelingt uns das, werden uns die vielen neuartigen
Beobachtungen an den Objekten der Mikrophysik nicht mehr fremd vorkommen.
Wir werden nicht mehr versuchen, sie mit makroskopischen Erfahrungen in
Beziehung setzen, sondern sie mit den neuen mikroskopischen Erfahrungen
"verstehen".
| Ungewiss heißen Eigenschaften, deren exakter Wert wegen
unzureichender Messmethoden, Messfehlern, einer Überzahl an
Teilchen, schnellen Schwankungen, ... unbekannt ist, aber doch im
Prinzip existiert. Ungewisse Messgrößen können wenigstens im
Prinzip beliebig gewiss gemacht werden.
Un-be-stimmt heißen Eigenschaften, die ohne eine
Messung prinzipiell keinen exakten Wert haben. Sie sind
dann natürlich auch unbekannt. Die Quantenphysik lehrt, dass in
der Mikrophysik nicht alle klassisch denkbaren Eigenschaften
be-stimmt sein können. Durch eine Messung kann eine
un-be-stimmte Eigenschaft be-stimmt gemacht werden (z.B. der
Ort). Stattdessen wird dann eine andere, dazu komplementäre
Eigenschaft (z.B. die Geschwindigkeit) wieder un-be-stimmt. Es
gibt Paare von Eigenschaften, die nie zugleich be-stimmt gemacht
werden können (komplementäre Eigenschaften).
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Der Österreicher A. Zeilinger, einer der großen Quantenphysiker
unserer Zeit, hat einmal formuliert:
| Indeed, following Bohr, I would argue that we can understand
quantum mechanics, if we realize that science is not describing
but rather expresses
| what we can say about nature. |
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Er ist der Meinung, dass du nicht fragen solltest, was für ein
eigenartiges Ding ein Quantenteilchen ist, dass wir solche
Beobachtungen an ihm machen. Darüber kann die Physik keine Aussage machen;
es betrifft sie nicht. Er meint vielmehr, du solltest - wie das in diesem
Text geschehen ist - als physikalisch sinnvoll nur das ansehen,
was die Physik über Quantenteilchen wirklich aussagen kann, gesichert
durch Experimente und die Theorie.
Hinweis:
Be-stimmt
und un-be-stimmt
im Sinne der Quantenphysik werden hier immer entgegen der
Duden-Vorschriften mit Trennstrichen geschrieben um darauf hinzuweisen,
dass diese Begriffe die quantenphysikalische Bedeutung haben und nicht die
umgangssprachliche.
*) Die Bezeichnung "klassisch denkbare
Eigenschaften" habe ich erstmals in dem Buch von Küblbeck und Müller: Die
Wesenszüge der Quantenphysik, Aulis-Verlag Deubner, Köln, 2003, 2006
gelesen.
**) Impuls ist ähnlich wie Energie eine
Erhaltungsgröße. Vorläufig - und nicht ganz richtig - kannst du dir aber
unter Impuls so etwas wie "Schwung" oder "Wucht" vorstellen.
( 2012 )