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Die Quantentheorie ist die theoretische Grundlage der modernen Physik, die die Natur und das Verhalten von Materie und Energie auf atomarer und subatomarer Ebene erklärt. Die Natur und das Verhalten von Materie und Energie auf dieser Ebene werden manchmal als Quantenphysik und Quantenmechanik bezeichnet.
1900 stellte der Physiker Max Planck seine Quanten-Theorie der Deutschen Physikalischen Gesellschaft vor. Planck hatte versucht, den Grund zu entdecken, dass Strahlung von einem glühenden Körper in Farbe von Rot, Orange, und schließlich zu Blau wechselt, während seine Temperatur steigt. Er fand das, indem er die Annahme machte, daß Energie in einzelnen Einheiten in der gleichen Weise existierte, wie die Materie, und nicht nur eine konstante elektromagnetische Welle – wie früher angenommen wurde – und daher quantifizierbar war, konnte er die Antwort auf seine Frage finden. Die Existenz dieser Einheiten wurde die erste Annahme der Quantentheorie.
Planck schrieb eine mathematische Gleichung mit einer Figur, um diese einzelnen Einheiten der Energie darzustellen, die er Quanten nannte. Die Gleichung erklärte das Phänomen sehr gut; Planck stellte fest, dass bei bestimmten diskreten Temperaturniveaus (genaue Vielfache eines Grundminimumwertes) die Energie eines glühenden Körpers unterschiedliche Bereiche des Farbspektrums einnimmt. Planck nahm an, daß aus der Entdeckung der Quanten noch eine Theorie auftauchte, aber in Wirklichkeit bedeutete ihre Existenz ein völlig neues und fundamentales Verständnis der Gesetze der Natur. Planck gewann 1918 den Nobelpreis für Physik für seine Theorie, aber die Entwicklungen verschiedener Wissenschaftler über einen Zeitraum von 30 Jahren trugen zum modernen Verständnis der Quantentheorie bei.
Die Entwicklung der Quantentheorie
Im Jahr 1900 machte Planck die Annahme, dass Energie aus einzelnen Einheiten oder Quanten gemacht wurde.
Im Jahre 1905 stellte Albert Einstein fest, dass nicht nur die Energie, sondern die Strahlung selbst in gleicher Weise quantisiert wurde.
Im Jahr 1924 schlug Louis de Broglie vor, dass es keinen grundlegenden Unterschied in der Verfassung und dem Verhalten von Energie und Materie gibt; Auf der atomaren und subatomaren Ebene kann sich entweder so verhalten wie von Partikeln oder Wellen gemacht. Diese Theorie wurde als Prinzip der Wellenpartikel-Dualität bekannt: Elementarteilchen von Energie und Materie verhalten sich je nach den Bedingungen wie Partikel oder Wellen.
Im Jahre 1927 schlug Werner Heisenberg vor, dass eine genaue, gleichzeitige Messung von zwei komplementären Werten – wie Position und Impuls eines subatomaren Teilchens – unmöglich ist. Im Gegensatz zu den Prinzipien der klassischen Physik ist ihre gleichzeitige Messung unausweichlich fehlerhaft; Je genauer ein Wert gemessen wird, desto fehlerhafter wird die Messung des anderen Wertes sein. Diese Theorie wurde bekannt als das Ungewissheitsprinzip, das Albert Einsteins berühmten Kommentar veranlasste: “Gott spielt keine Würfel.”
Die beiden Hauptinterpretationen der Implikationen der Quantentheorie für die Natur der Wirklichkeit sind die Kopenhagener Interpretation und die Viel-Welt-Theorie. Niels Bohr schlug die Kopenhagener Interpretation der Quantentheorie vor, die behauptet, daß ein Teilchen, was auch immer es ist, gemessen wird (z. B. eine Welle oder ein Teilchen), aber es kann nicht davon ausgegangen werden, daß es spezifische Eigenschaften hat oder gar existiert, bis Es wird gemessen. Kurz gesagt, Bohr sagte, dass die objektive Realität nicht existiert. Das bedeutet ein Prinzip namens Superposition, das behauptet, dass, während wir nicht wissen, was der Zustand eines Objekts ist, es tatsächlich in allen möglichen Zuständen gleichzeitig ist, solange wir nicht schauen, um zu überprüfen.
Um diese Theorie zu veranschaulichen, können wir die berühmte und etwas grausame Analogie von Schrödingers Katze benutzen. Zuerst haben wir eine lebende Katze und legen sie in eine dicke Bleikiste. In diesem Stadium gibt es keine Frage, dass die Katze am Leben ist. Dann werfen wir in eine Phiole von Cyanid und versiegeln die Schachtel. Wir wissen nicht, ob die Katze lebt oder wenn die Cyanidkapsel gebrochen ist und die Katze gestorben ist. Da wir nicht wissen, ist die Katze nach dem Quantengesetz tot und lebendig – in einer Überlagerung von Staaten. Es ist nur, wenn wir die Kiste aufbrechen und sehen, welche Bedingung die Katze ist, dass die Überlagerung verloren ist, und die Katze muss entweder lebendig oder tot sein.
Die zweite Interpretation der Quanten-Theorie ist die Viel-Welt- (oder Multiversortheorie), sobald ein Potential für irgendeinen Gegenstand in irgendeinem Zustand existiert, verwandelt sich das Universum dieses Objekts in eine Reihe von parallelen Universen, die der Zahl gleich sind Von möglichen Zuständen, in denen das Objekt existieren kann, wobei jedes Universum einen einzigartigen einzigen möglichen Zustand dieses Objekts enthält. Darüber hinaus gibt es einen Mechanismus für die Interaktion zwischen diesen Universen, der irgendwie erlaubt, dass alle Staaten in irgendeiner Weise und für alle möglichen zugänglich sind Staaten, die in irgendeiner Weise betroffen sind. Stephen Hawking und der verstorbene Richard Feynman gehören zu den Wissenschaftlern, die eine Vorliebe für die Viel-Welt-Theorie geäußert haben.
Der Einfluss der Quantentheorie
Obwohl die Wissenschaftler im Laufe des vergangenen Jahrhunderts über die Implikationen der Quantentheorie – Planck und Einstein unter ihnen – gestritten haben, wurden die Prinzipien der Theorie wiederholt durch Experimente unterstützt, auch wenn die Wissenschaftler sie zu widerlegen versuchten. Quantentheorie und Einsteins Relativitätstheorie bilden die Grundlage für die moderne Physik. Die Prinzipien der Quantenphysik werden in einer zunehmenden Anzahl von Bereichen angewendet, darunter Quantenoptik, Quantenchemie, Quantencomputing und Quantenkryptographie.
Siehe Brian Green’s Einführung in die Quantentheorie auf Nova: