Sonntag, 4. Dezember 2011

Einführung in die Quantenmechanik

Schaut man sich spannende Dokumentation über den Ursprung 'von Allem' an - z.B. Woher kommt die Welt? – Die Entstehung des Kosmos” - gelangt man eventuell an einen Punkt, wo man sich mit zunehmender Frustration am Kopf kratzt. Mir jedenfalls ergeht es oft genug so, denn es mangelt oft genug an Grundlagenwissen. Ist ja auch kein Wunder, wenn man früher im Physikunterricht schon bei der 'Theorie' der Schiefen Ebene nach 10 Minuten abschaltete. 
Es bedarf eines Grundverständnisses, bevor man sich im Detail mit der Heisenbergschen Unschärferelation, dem Doppelspalt-Experiment oder dem Gedankenspiel über 'Schrödingers Katze' auseinandersetzt. 
Ein Teil dieser selbst verschuldeten Lücke (damals war natürlich der langweilige Vortragsstil des Lehrers schuld ;-) ) lässt sich heute schließen - jedenfalls auf einem 'populärwissenschaftlichen' Niveau. Hilfreich dabei sind auch Radiosendungen wie die von Prof. Herbert Pietschmann (Institut für Theoretische Physik, Uni Wien), der im Oktober 2005 eine kurzweilige die Grundlagen der Quantenmechanik vermittelte.
  • Ich liebe zudem den 'Wiener Slang', muss dabei aber regelmäßig an einen (nicht böse gemeinten) Witz aus meiner eigenen Schulzeit denken:
    Ein Münchner und ein Wiener treffen sich am Waldrand, um Weinbergschnecken zu sammeln. Beide haben einen Korb mitgebracht und veranstalten spontan einen kleinen Wettbewerb: Wer hat nach 60 Minuten die meisten Schnecken? Kurzum, nach Ablauf dieser Stunde treffen die beiden sich wieder - der Korb des Münchners ist zur Hälfte gefüllt, aber der Wiener hat nur ein einziges Exemplar mitgebracht. Sein Freund aus München wird neugierig: "Was war los? Warum nur die eine?"
    Die Antwort des Wieners: "Ach du weist doch wie des is'... kaum hockt man sich hin - husch husch, san's fort...!"

Leben in der Quantenwelt?

Offenbar gelten die Prinzipien der Quantenmechanik nicht für nur den Mikrokosmos, sondern beeinflussen auch die makroskopische Welt. Viele Physiker glauben heute, diese Theorie treffe auf alles zu, ob groß oder klein. Erweist sich dies als zutreffend, dürfte sich unser Weltbild weitreichend verändern.
Die Gesetze der Quantenmechanik beherrschen danach nicht nur die Welt der Atome und Elementarteilchen, sondern liegen in größerem Maßstab auch der Natur zu Grunde. Vielleicht machen sich sogar Pflanzen bei der Fotosynthese oder Zugvögel bei der Orientierung typische Quanteneffekte zu Nutze. ( → "Leben in der Quantenwelt", Spektrum der Wissenschaft, 11/2011)

Nun aber zur Radiosendung:


Relativitätstheorie + Quantentheorie = Schleifen Quantengravitation?

Albert Einstein - ein, wenn nicht das Genie des 20. Jahrhunderts - hatte mit vielem Recht. Deshalb bildet seine Relativitätstheorie einen der Grundpfeiler unserer modernen Physik. Sie beschreibt die Gravitation (Schwerkraft) eingehend - während die ältere Physik Newtons noch als Näherungsmodell dient, weil es unserer alltäglichen Wahrnehmung eher zu entsprechen scheint.
Doch haben Einsteins Gleichungen ein Manko: sie lassen sich nicht auf die kleinsten Elementar-teilchen und deren Wechselwirkungen anwenden - und deshalb auch nicht auf das eigentliche Urknallereignis (als das Universum noch so winzig war, dass die sog. Quanteneffekte zum Tragen kamen.

Wendet man allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantentheorie gleichzeitig auf Objekte dieser kleinsten Größenordnung an, entstehen Widersprüche.

In seinem Werk “Zurück vor den Urknall“  beschreibt der Astrophysiker Martin Bojowald “die ganze Geschichte des Universums” – aus der Sicht seiner neuen Theorie, welche den Urknall nicht länger als Anfang von Allem, sondern als Übergang betrachtet. 

Die Theorie der Schleifenquantengravitation (engl. loop quantum gravity), auch Loop-Quantengravitation oder LQG genannt, ist einer von mehreren Ansätzen, welche auf die  Vereinigung der Quantenphysik mit der allgemeinen Relativitätstheorie abzielen. Diese Vereinigung ist eine der größten Herausforderungen der heutigen Physik. Dabei wird der Raum als dynamisches quantenmechanisches Spin-Netzwerk beschrieben, das durch Diagramme aus Linien und Knoten dargestellt werden kann. Eine Konsequenz aus dieser Theorie wäre die Quantisierung von Raum und Zeit im Bereich der Planck-Länge (ca. 10−35 m) bzw. Planck-Zeit (ca. 10−43 s). Die Welt im Kleinsten verlöre die im Alltag angenommene Kontinuität.

Einen kurzen Überblick liefert dieses Video: