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Die Quantenmechanik ist eine physikalische Theorie zur Beschreibung der Materie, ihrer Eigenschaften und Gesetzmässigkeiten. Sie erlaubt im Gegensatz zu den Theorien der klassischen Physik eine präzise Berechnung der physikalischen Eigenschaften von Materie auch im mikroskopischen bis hin zum subatomaren Grössenbereich [1].
Das erste Konzept der Quantenmechanik ist: Dinge sind quantisiert! [Video-1] Quantisiert heisst, dass alle Eigenschaften in diskreten ganzzahligen Einheiten auftreten. Ein prominentes Beispiel dafür ist der Spin eines Teilchens. Der Spin hat alle Eigenschaften eines mechanischen Drehimpulses, ausgenommen die, dass er durch die Drehbewegung einer Masse hervorgerufen wird. Der Spin kann jedoch nicht beliebige Werte annehmen, sondern erscheint in diskreten Schritten von sog. Plank-Einheiten. Der Spin kann nur ganze Werte 0, 2, 3, -1, -2 -3 in Planks Einheiten annehmen. Genaugenommen gibt es auch Spin 1/2, 3/2 usw. aber das spielt hier keine Rolle. Man hätte einfach halbe Plank-Einheiten wählen können, dann gäbe es nur ganze Zahlen.
Das zweite Konzept der Quantenmechanik sind Felder [Video-2]. Ein Feld ist einfach ein Zustand des Raumes. Felder können von Ort zu Ort variieren und sie beeinflussen zum Beispiel die Flugbahn von Objekten oder Teilchen. Zum Beispiel beeinflusst ein elektrisches Feld wie sich ein geladenes Teilchen bewegt. Weitere Beispiele für Felder sind das magnetische Feld und das Gravitationsfeld. Was auch immer im Raum vorhanden ist, was das Verhalten des Raumes an dieser Stelle und zu diesem Zeitpunkt beeinflusst, kann man sich als Feld in der Raum-Zeit vorstellen. Raum kann also voll von Feldern sein.
Normalerweise spricht man bei einem Leeren Raum, einem Raum der keine Materie enthält, von einem Vakuum. Aus quantenmechanischer Sicht ist Vakuum der Zustand niedrigster Energie. Gewöhnlich stellt man sich vor, dass die Felder im leeren Raum Null sind. Physikalisch gibt es aber keinen Grund, weshalb dies so sein muss.
Stellen wir uns eine Welt vor, die mit einen elektrischen Feld gefüllt ist. Wie könnte das elektrische Feld entstehen? Zum Beispiel durch zwei gegensätzlich elektrisch geladene Platten eines Kondensators. Die Platten können wir uns unendlich gross und unendlich weit weg vorstellen, sodass der ganze leere Raum dazwischen gefüllt ist mit einem homogenen elektrischen Feld. An jedem Punkt des Raumes hätte das Feld einen bestimmten Wert, der sich auf die Bewegung geladener Teilchen auswirkt. In einer solchen Welt würden wir sagen, dass sich geladene Teilchen auf seltsame Art bewegen. Aber dies wäre einfach eine Naturgegebenheit.
Generell kann man sagen: Felder kosten Energie. Raum ohne ein elektrisches Feld hat Null Energie. Mit einem elektrischen Feld hat der Raum eine Energie. Wenn wir die Energie E eines typischen Feldes als Funktion der Feldstärke ϕ aufzeichnen, erhalten wir das Bild 1. Dort wo das Feld ϕ Null ist, ist seine Energie minimal. Jede Abweichung des Feldes von Null vergrössert seine Energie.
Stellen wir uns nun vor, wir können an einem Ort im Raum die Feldstärke ändern; wir geben ihr einen Stoss. Das Feld würde dann an dieser Stelle um den Nullpunkt hin und her schwingen. Diese Schwingungen nennt man Quanten des Feldes oder Teichen des Feldes! [Video-3]
Quanten einer Schwingung eines Feldes sind Teilchen.
Nun kann man sich auch Situationen vorstellen, wo mehr als ein Feld zur Energie beiträgt. Nennen wir diese Felder ϕ1 und ϕ2. Diese Felder und die zugehörige Energie kann man in einem dreidimensionalen Bild 2 darstellen. Achtung: Dieses Bild hat nichts mit einem dreidimensionalen Raum zu tun! Zwei der Achsen stehen für die Stärke einer Feldkomponente, die dritte Achse gibt die Energie dieses Feldes an. Die Energie hängt also von der Stärke beider Feldkomponenten ab.
Bild 2 zeigt: Egal wie die beiden Feldkomponenten von Null aus verändert werden, es kostet Energie. Der niedrigste energetische Zustand an einem Ort ist dann erreicht, wenn dort beide Feldkomponenten Null sind. An jedem Punkt im Raum kann man sich so eine Energie-Kurve vorstellen.
Im Unterschied zu Bild 1 kann man jetzt jeder Feldkomponente separat einen Stoss geben oder beiden Komponenten gleichzeitig. In jedem Fall wird es durch den Nullpunkt hin und her schwingen. Auch diese Schwingungen entsprechen Teilchen-Quanten.
Bei einer Konstellation wie in Bild 2 kann man das Feld noch auf eine andere Art anregen, nämlich so wie in Bild 3 gezeigt: Das Feld schwingt nicht mehr durch den Nullpunkt, sondern auf konstantem Energielevel in einem Kreis. Diese kreisförmige Bewegung erinnert an ein Drehmoment. Es handelt sich dabei nicht um ein Drehmoment im Raum, sondern um eine Art Drehmoment im Feld-Raum. Wie alle Drehmomente in der Quantenphysik ist auch dieses Drehmoment quantisiert. Es kann nur ganze Vielfache der Plank-Konstanten annehmen.
Dieses quantisierte Drehmoment entspricht etwas, was in der Natur ebenfalls quantisiert vorkommt: zum Beispiel dem Wert einer elektrischen Ladung. [Video-4]
In der modernen Physik stellt man sich ein geladenes Teilchen an einem bestimmten Punkt des Raumes als eine Anregung des Feldes vor, wobei die Felderregung im internen Raum des Feldes kreisförmig ist. Dies ist der Hauptmechanismus wie man sich Ladung vorstellt; als eine Art Rotation in einem internen Feld-Raum.
Nun kann man sich noch andere Formen von Potentialfunktionen vorstellen, zum Beispiel eine wie in Bild 4 gezeigt wird, die wie ein mexikanischer Hut aussieht. Diese Funktion hat die Eigenschaft, dass an der Stelle, wo die Feldkomponenten Null sind, die Energie nicht minimal ist. An dieser Stelle herrscht ein unstabiles Gleichgewicht. Würde man einen Ball auf die Spitze im Zentrum legen, würde er bei der kleinsten Abweichung auf den Rand herunter rollen.
Wenn aus irgendeinem Grund die potentielle Energie eines Feldes die Form wie in Bild 4 hat, würde der Zustand kleinster Energie nicht bei einer Feldstärke von Null liegen, sondern in einem ringförmigen Bereich um den Nullpunkt. Dies würde einer Welt mit einem Vakuum entsprechen, in welchem der Wert eines Feldes an jedem Punkt des Raumes ungleich Null ist. Dies würde man feststellen können, weil das Feld Einfluss auf die Dinge im Raum ausüben würde.
Bei einer Funktion wie in Bild 4 kann man etwas tun, was man bei einer Funktion wie in Bild 3 nicht tun kann [Video-5]: Wenn man in Bild 3 das Feld in eine rotationsförmige Erregung versetzen will, muss man es zuerst aus dem Nullpunkt auslenken, was Energie kostet. Das heisst, um ein Teilches zu erzeugen, muss Energie aufgewendet werden. Bei einer Funktion wie in Bild 4 kann man das Feld in rotationsförmige Erregung versetzen, ohne dass dazu Energie aufgewendet werden muss! Auch diese Erregung entspricht einer Art von Ladung. Da das Feld an jedem Punkt des Raumes diese Form hat, hat auch jeder Punkt des Raumes eine bestimmte Ladung pro Volumen = Ladungsdichte ungleich Null.
Wie findet man heraus, wo der Zustand niedrigster Energie dieses Vakuums ist? Dazu nehmen wir an, dass sich das Feld zeitlich nicht ändert. Dies entspricht bildlich einem Ball, der irgendwo im Rand des mexikanischen Hutes liegen bleibt. Denn eine zeitliche Änderung würde dem Rollen des Balles entlang der niedrigsten Energie entsprechen. Aber Rollen ist auch eine Form von Energie, nämlich kinetische Energie. Das heisst, das Feld in rotierende Erregung zu versetzen würde auch eine Art kinetischer Energie kosten. Man könnte also sagen, der wirklich niedrigste Energiezustand des Feldes ist dann erreicht, wenn das Feld an irgendeinem beliebigen Punkt des Kreises mit niedrigster Energie verharrt, ohne Drehmoment und somit ohne Ladung. Der leere Raum sollte ohne Ladung sein.
Das Problem dabei ist die Heisenbergsche Unschärferelation [Video-7]: Die Heisenbergsche Unschärferelation oder Unbestimmtheitsrelation ist die Aussage der Quantenphysik, dass zwei komplementäre Eigenschaften eines Teilchens nicht gleichzeitig beliebig genau messbar sind. Das bekannteste Beispiel für ein Paar solcher Eigenschaften sind Ort und Impuls.
Wenn wir zum Beispiel von einem Objekt seine Position x im Raum und seine Geschwindigkeit oder seinen Impuls p wissen wollen, besagt die Unschärferelation, dass die Unschärfe der Position Δx mal die Unschärfe des Impulses Δp grösser oder gleich das planksche Wirkungsquantum ℏ sein muss:
|(1)||

\Delta \mathbf{x} \cdot \Delta \mathbf{p} \ge \hbar
Man kann also in der Quantenmechanik nichts haben, das sowohl still steht, also keinen Impuls hat, und gleichzeitig an einem bestimmten Ort ist! Dies gilt auch für Felder. Wenn man genau weiss, wie ein Feld ausgelenkt ist (seine Position ist bekannt), ist die Unsicherheit sehr gross, wie schnell es sich verändert (seine Geschwindigkeit ist unbekannt). Oder im Falle des Feldes von Bild 4: Wenn wir die Position des Feldes, repräsentiert durch den roten Ball, mit hoher Genauigkeit wissen, können wir nicht sagen, wie schnell der Ball auf dem Kreis niedrigster Energie rotiert.
Dies würde also bedeuten, dass wir kein Vakuum ohne Ladung darin haben könnten! [Video-8]
Denn wenn wir ein Feld bei einem Minimum festlegen würden, wüssten wir wo es ist und damit hätten wir eine Unsicherheit, wie schnell es sich bewegt. Das heisst, es könnte nicht still stehen und damit hätten wir eine Ladung im Raum. Wir hätten damit nicht nur eine Ladung im leeren Raum, sondern die Stärke der Ladung wäre total Unsicher. Dies ist ein Quanteneffekt.
Die Wahrscheinlichkeit für eine bestimmte Menge an Ladung in einem bestimmten Raumvolumen könnte damit sein:
Wenn wir in einem solchen Fall die Ladung messen könnten, würde ein beliebiger Wert zwischen minus Unendlich und plus Unendlich resultieren.
Nun stellen wir uns vor, wir haben ein separates geladenes Teilchen und wir werfen dieses in ein solches Feld. Wir wissen nicht, was die Ladung des Feldes genau ist. Durch das Einwerfen des geladenen Teilchens würde sich aber die Ladung des Feldes um eine Einheit verschieben, sodass die Ladung wäre:
Damit ist aber die Ladung des Feldes genauso unbekannt wie vorher.
Ein Kondensat ist also eine interessante Konfiguration des Raumes. Egal welche Ladung der Raum hat, sie ist so unscharf, dass man keinen Unterschied feststellen kann, wenn man eine extra Ladung hinzufügt oder entfernt!
In Bezug auf elektrische Ladung ist die wirkliche Welt nicht so. Aber es gibt Materialien, die sich genau so verhalten: zum Beispiel Supraleiter.
Prof. Leonard Susskind ist ein US-amerikanischer theoretischer Physiker und Mitbegründer der Stringtheorie. Er gibt seit vielen Jahren öffentliche Vorlesungen in Physik für ein interessiertes Publikum.