physikAdventskalender 5. Dezember: Heisenberg

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Um mal von dem ganz großen zum ganz kleinen zu kommen:

CaticonHeute vor 105 Jahren ist ein Typ auf die Welt geschmissen geboren worden, der Mitglied der Pfadfinder war und nach nur drei Jahren sein Studium der Physik beendete, der mit 26 Jahren als Professor an die Universität Leipzig gerufen wurde und mit 31 Jahren schon einen Nobelpreis in Physik in der Tasche hatte. Im Gegensatz zu vielen Physikerkollegen, wie Einstein und Schrödinger, emigrierte er während der nationalsozialistischen Führung Deutschlands nicht ins Ausland sondern blieb und lehrte während dieser Zeit u.A. an der Berliner Universität. Später wurde er Direktor der Max-Planck-Institute für Physik in Göttingen und München und war Präsident der Alexander von Humboldt-Stiftung.

Vor allem aber seine Bemühungen in der Quantenmechanik machten ihn Berühmt. Diese Richtung der Physik begründete er zusammen mit Max Born, Pascual Jordan und Erwin Schrödinger und bekam dafür schließlich auch den Nobelpreis verliehen. Die Kernaussagen der Quantenmechanik sind:

  • Quantelung der Messgrößen
  • Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts
  • Aufenthaltswahrscheinlichkeits anstatt präziser Vorhersagen

Emissionsspektrum WasserstoffDie Quantelung der Messgrößen beschreibt dabei den Bruch zur klassischen Mechanik, nach der alle Größen kontinuierlich Werte annehmen können. Dies kann man aber nur im makroskopischen Bereich annehmen, sobald man in die mikroskopischen Betrachtung geht, stellt man diskrete Verteilung von z.B. Emissionsspektren, die beim Wechsel zwischen Energieniveaus auftreten, fest. Das links abgebildete Emissionsspektrum von Wasserstoff wurde als erstes von Heisenberg quantitativ korrekt erklärt.

Auch eine entscheidende Erkenntnis aus der Quantenmechanik ist der Welle-Teilchen- Dualismus, nachdem Licht sowohl als Teilchen als auch als Welle aufgefasst wird. Beispielhaft ist dafür das Experiment des Doppelspalts, wobei Licht auf eine Blende mit zwei Spalten geworfen wird. Klassischerweise würde man vermuten, dass das Licht dann auch zwei Streifen auf einem sich dahinter befindlichen Schirm wirft. In der Realität treffen allerdings viele Intensitätsmaxima auf, was sich nur über einen Wellencharakter erklären lässt. Schießt man mit einem sehr schwachen Laser (wenige Photonen pro Sekunde), so ergeben sich immer noch die bekannten Interferenzmuster, was den Dualismus sehr anschaulich zeigt (dazu auch ein nettes Video aus dem Film “What the Bleep do we know?”).

Die dritte Kernaussage der Quantenmechanik besagt, dass man die Position eines Teilchens nicht exakt vorhergesagt werden kann. Schickt man z.B. einen schwachen Laserstrahl (wieder wenige Photonen pro Sekunde) auf einen halbdurchlässigen Spiegel, so wird ein bestimmter Prozentsatz reflektiert, ein anderer wird durchgelassen. Es lässt sich also nur sagen, mit welcher Wahrscheinlichkeit das ausgesendete Photon reflektiert bzw. transmittiert wird, nicht jedoch eine konkrete Aussage treffen.

Aus diesen Aussagen abgeleitet ergibt sich auch die Heisenbergsche Unschärferelation, die nichts mit dieser Unschärfe zu tun hat. Sie besagt, dass in der mikroskopischen Betrachtung Ort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig exakt bestimmt werden kann. Könnte man das in die makroskopische Welt übertragen, wäre sie sicher auch für nicht-Physiker interessant, wie ich einst in einem anderen Blog schrieb:

Ich lerne grade Physik für die morgige Klausur. Besser gesagt ich mache grade Pause. In dieser Pause stieß ich durch Zufall auf die Heisenbergsche Unschärferelation […].

Da kam in mir die Frage auf, ob sich das nicht auch im Alltag verwenden ließe, z.B. wenn man mit dem Auto zu schnell unterwegs war und geblitzt wurde. Dann könnte man sich auf Heisenberg berufen und behaupten, dass es ja gar nicht möglich war, gleichzeitig festzustellen, wie schnell man war und wo man sich zu diesem Zeitpunkt befand. Man hätte also gerade auf der Autobahn sein können … oder eben mit einer viel geringeren Geschwindigkeit unterwegs sein können.

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