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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Die Quantenphysik ist 100 Jahre alt |
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| | | Das Jahr 1900 gilt als Geburtsjahr der Quantenphysik. Am 14. Dezember 1900 veröffentlichte der deutsche Physiker
Max Planck in Berlin seine Abhandlung über glühende Objekte, in der er das Wirkungs-Quantum als kleinste Energieeinheit definierte.
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Die Entdeckung des Wirkungs-Quantums, für das Planck 1918 den Nobelpreis erhielt, gilt als Geburtsstunde der Quantenmechanik.
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Keine Hochtechnologie ohne Quanten |
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"Ohne die Quantenphysik gäbe es keine moderne Hochtechnologie, keinen Laser, keine Halbleiter und damit keinen Computer", so Anton Zeilinger vom Institut für Experimentalphysik in Wien. Für den durch seine Teleportations-Experimente bekannten Physiker stellt die Quantenmechanik auch eine moderne Informationstheorie dar.
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Paradigma des Zufalls
Die Quantenphysik hat nach Auskunft Zeilingers zu einer völligen Revolution unseres Weltbildes geführt. In der Quantenwelt gebe es Dinge, die rein zufällig geschehen, so etwa das Verhalten von "verschränkten Teilchen". Diese seltsamen Teilchen wurden zur Grundlage von Zeilingers Quantenteleportation. |
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Erst subatomar wirksam |
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Erst im atomaren und subatomaren Bereich macht sich das Planck'sche Wirkungsquantum bemerkbar. Es wurde damit zur Grundlage der Quantentheorie überhaupt.
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Die Geschichte |
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Der Physiker Ernest Rutherford formulierte um 1910 sein Atommodell eines kleinen Kerns mit den ihn umgebenden Elektronen. Seiner Ansicht nach war der überwiegende Teil der Materie "leer".
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Optimierung durch Niels Bohr |
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Niels Bohr verbesserte wenige Jahre später das Modell Rutherfords. Er forderte definierte Energieniveaus für Elektronen. Wird Energie zugeführt, kann das Elektron kurzfristig auf ein höheres Niveau springen, fällt es wieder zurück, gibt es ein Quantum an Energie ab.
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Teilchen-Welle-Dualität |
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Der nächste Beitrag zur Quantentheorie stammt von Louis Victor de Broglie. Er schlug das Elektron als Welle vor, die den Kern umgibt. Der Physiker Erwin Schrödinger formulierte die Sache dann mathematisch aus.
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Damit war die Teilchen-Welle-Dualität von Elektronen geboren. Elektronen und Photonen verhalten sich einerseits wie Teilchen, andererseits besitzten sie eine Wellen-Natur.
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Unschärfe-Relation von Heisenberg |
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1927 trat Werner Heisenberg auf den Plan. Er erklärte, dass sich bestimmte Phänomene der Welt im Kleinsten grundsätzlich nicht genau bestimmen lassen.
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Nach der so genannten Unschärfe-Relation ist es prinzipiell unmöglich, gleichzeitig Ort und Impuls eines Elementarteilchens zu bestimmen.
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Durchbruch von Anton Zeilinger?
Seit einigen Jahren kommt wieder Bewegung in die Theorie der Unschärferelation: So gelang es dem österreichischen Experimentalphysiker Anton Zeilinger, den genauen Zustand von Photonen zu bestimmen. Er arbeitet dabei mit "verschränkten" Teilchen, die in einem Prisma erzeugt und anschließend auf den Weg zu unterschiedlichen Orten geschickt werden. Bestimmt man etwa die Polarität eines Teilchens, kennt man auch den Zustand des verschränkten Partners. Ob damit die Unschärferelation teilweise aus den Angeln gehoben wurde, ist allerdings noch unklar. |
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Superstringtheorie als Antwort? |
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Im Reigen der großen Quanten-Theorien des Jahrhunderts entstand vor zwei Jahrzehnten die "Superstring-Theorie". Physiker entwickelten eine Quantentheorie der Elementarteilchen, nach der winzige vibrierende Saiten ("strings") in einer "zehndimensionalen Raum-Zeit" die fundamentalen Bausteine der Materie bilden.
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Elementarteilchen als Töne |
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Die Strings können - wie die Saiten eines Instruments - in verschiedenen "Obertönen" schwingen und damit die bekannten Elementarteilchen wie Elektronen erzeugen.
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Jedes Elementarteilchen soll sich nach dieser Vorstellung als bestimmter Schwingungszustand eines Strings interpretieren lassen. Die Strings haben eine charakteristische Länge von nur etwa 10 hoch -35 Meter.
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Das "Super" im Wort "Superstring" besagt, dass die Superstring-Theorie supersymmetrisch ist, d. h. für jedes Fermion (Spin halbzahlig) unter den Elementarteilchen gibt es ein zugehöriges Boson (Spin ganzzahlig) und umgekehrt. Den hypothetischen supersymmetrischen Partner z. B. des Photons nennt man Photino, den des Gravitons Gravitino und den des Elektrons Selektron. |
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Große, einheitliche Theorie? |
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Die Superstring-Theorie gilt als aussichtsreicher Kandidat für eine "Große vereinheitlichte Theorie", die sämtliche Elementarteilchen und Naturkräfte einschließlich der Gravitation beschreibt. Eine experimentelle Bestätigung der Vorhersagen der Superstring-Theorie steht derzeit noch aus.
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01.01.2010 |
