Die wichtigsten Begriffe der Quantenmechanik ganz einfach erklärt

Die Kurzfassung kennst du jetzt – nun geht es ins Detail. Ich wünsche dir viel Freude beim Lesen!

Was ist ein Quant?

Ein Quant kannst Du Dir vereinfacht wie eine winzige Portion vorstellen. In der Quantenphysik können bestimmte Größen, zum Beispiel Energie, nur in bestimmten Mengen aufgenommen oder abgegeben werden.

Stell Dir eine Treppe vor. Du kannst auf einer Stufe stehen oder auf der nächsten, aber nicht irgendwo dazwischen. Ganz ähnlich können bestimmte Energien in der Quantenwelt nur bestimmte Werte annehmen.

Was ist ein Quantenteilchen?

Als Quantenteilchen bezeichnet man sehr kleine Bestandteile der Natur, bei denen die Regeln der Quantenmechanik eine wichtige Rolle spielen. Dazu gehören zum Beispiel Elektronen und Photonen.

Allerdings solltest Du Dir diese Teilchen nicht einfach wie winzige Murmeln vorstellen. Je nach Experiment zeigen Quantenobjekte Eigenschaften, die wir normalerweise mit Teilchen oder mit Wellen verbinden.

Was ist ein Photon?

Ein Photon ist vereinfacht gesagt ein Lichtteilchen beziehungsweise ein Quant elektromagnetischer Strahlung.

Wenn Licht beispielsweise auf eine Solarzelle trifft, können Photonen ihre Energie auf Elektronen übertragen. Genau solche quantenphysikalischen Vorgänge tragen dazu bei, dass Solarzellen Licht in elektrische Energie umwandeln können.

Was ist ein Quantenzustand?

Der Quantenzustand beschreibt alles, was die Quantenmechanik über ein bestimmtes System wissen und für Messungen vorhersagen kann.

Du kannst Dir ihn vereinfacht wie eine Beschreibung der möglichen Ergebnisse vorstellen. Bei einem Elektron kann der Quantenzustand zum Beispiel Informationen darüber liefern, mit welcher Wahrscheinlichkeit bestimmte Messergebnisse auftreten.

Was ist eine Wellenfunktion?

Die Wellenfunktion ist ein mathematisches Werkzeug, mit dem ein Quantenzustand beschrieben werden kann.

Für das einfache Verständnis kannst Du Dir die Wellenfunktion wie eine Art mathematische Landkarte vorstellen. Sie sagt Dir nicht einfach: „Das Elektron befindet sich genau hier.“ Stattdessen kannst Du aus ihr berechnen, wo Du das Elektron bei einer Messung mit welcher Wahrscheinlichkeit finden könntest.

Was bedeutet Superposition?

Superposition bedeutet, dass ein Quantenzustand eine Überlagerung verschiedener Möglichkeiten sein kann.

Stell Dir vereinfacht eine Münze vor. Im Alltag liegt sie nach einem Wurf entweder mit Kopf oder Zahl nach oben. In der Quantenwelt kann ein System dagegen einen Zustand besitzen, der verschiedene mögliche Messergebnisse miteinander kombiniert.

Bei einer Messung erhältst Du dann ein bestimmtes Ergebnis.

Genau diese ungewöhnliche Idee steckt auch hinter Schrödingers berühmter Katze.

Was bedeutet Messung in der Quantenmechanik?

Wenn Physiker von einer Messung sprechen, bedeutet das nicht unbedingt, dass ein Mensch irgendwo hinschaut.

Eine Messung ist ein physikalischer Vorgang, bei dem ein Quantensystem mit einem Messgerät oder seiner Umgebung wechselwirkt und dabei ein messbares Ergebnis entsteht.

Das ist wichtig, weil häufig vereinfacht gesagt wird: „Ein Teilchen verändert sich, sobald wir es beobachten.“ Dafür braucht es aber kein menschliches Bewusstsein.

Was ist die Schrödinger-Gleichung?

Die Schrödinger-Gleichung gehört zu den wichtigsten Gleichungen der Quantenmechanik.

Du kannst sie Dir vereinfacht wie eine Rechenregel vorstellen, mit der Physiker bestimmen können, wie sich der Quantenzustand eines Systems mit der Zeit verändert.

So ähnlich wie klassische Bewegungsgesetze beschreiben, wie sich beispielsweise ein Ball bewegt, beschreibt die Schrödinger-Gleichung die Entwicklung eines Quantensystems. Die Quantenwelt wird dabei allerdings nicht durch eine einzige klassische Flugbahn beschrieben, sondern durch ihren Quantenzustand.

Was ist die Heisenbergsche Unschärferelation?

Die Heisenbergsche Unschärferelation klingt komplizierter, als ihre Grundidee ist.

Sie besagt, dass bestimmte Eigenschaften eines Quantensystems nicht gleichzeitig beliebig genau festgelegt sein können. Das bekannteste Beispiel sind Ort und Impuls eines Teilchens.

Der Ort sagt Dir, wo sich das Teilchen befindet.

Der Impuls beschreibt vereinfacht, wie stark und in welche Richtung sich das Teilchen bewegt. Er hängt unter anderem von seiner Masse und Geschwindigkeit ab.

Je genauer der Ort festgelegt ist, desto weniger genau kann gleichzeitig der Impuls festgelegt sein und umgekehrt.

Das liegt nicht einfach an schlechten Messgeräten. Diese Unschärfe gehört grundsätzlich zur Quantenmechanik.

Was bedeutet Quantenverschränkung?

Die Quantenverschränkung gehört zu den erstaunlichsten Erscheinungen der Quantenmechanik.

Dabei besitzen zwei oder mehrere Quantensysteme einen gemeinsamen Quantenzustand. Dadurch können ihre Messergebnisse stärker miteinander zusammenhängen, als wir es aus der klassischen Physik erwarten würden.

Vereinfacht gesagt solltest Du die beiden Teilchen dann nicht mehr als vollständig voneinander unabhängige Systeme betrachten. Ihre Eigenschaften werden durch einen gemeinsamen Quantenzustand beschrieben.

Wichtig ist allerdings: Mit Quantenverschränkung können keine Nachrichten schneller als das Licht verschickt werden.

Was ist Dekohärenz?

Dekohärenz hilft uns zu verstehen, warum wir die merkwürdigen Eigenschaften der Quantenwelt bei großen Gegenständen normalerweise nicht beobachten.

Ein einzelnes Quantensystem kann sehr empfindlich sein. Sobald es ständig mit Licht, Wärme, Luftmolekülen oder anderen Dingen aus seiner Umgebung wechselwirkt, wird eine beobachtbare Superposition sehr schnell zerstört beziehungsweise praktisch unzugänglich.

Du kannst Dir das ein wenig wie eine perfekt geordnete Gruppe von Tänzern vorstellen. Solange alle genau im Takt bleiben, entsteht ein klares Muster. Sobald jedoch ständig andere Menschen dazwischenlaufen und jeden Tänzer beeinflussen, geht diese Ordnung verloren.

Genau deshalb sehen wir im Alltag keine Kaffeetassen, Autos oder Katzen, die sich offensichtlich in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden.

Was ist ein Qubit?

Ein Qubit ist die grundlegende Informationseinheit eines Quantencomputers.

Ein normaler Computer arbeitet mit Bits. Ein Bit besitzt entweder den Wert 0 oder 1.

Ein Qubit kann dagegen einen Quantenzustand besitzen, der eine Überlagerung von 0 und 1 ist. Erst bei einer Messung erhält man ein konkretes Ergebnis.

Quantencomputer versuchen, solche Eigenschaften gemeinsam mit Verschränkung gezielt für bestimmte Berechnungen zu nutzen.

Was bedeutet Interferenz?

Interferenz entsteht, wenn sich Wellen überlagern. Dabei können sie sich gegenseitig verstärken oder abschwächen.

Du kennst das vielleicht von Wasserwellen. Treffen zwei Wellen aufeinander, kann an manchen Stellen eine größere Welle entstehen, während sie sich an anderen Stellen teilweise oder sogar vollständig auslöschen.

Ähnliche Interferenzmuster treten auch bei Quantenobjekten auf. Das berühmte Doppelspaltexperiment macht dieses ungewöhnliche Verhalten besonders anschaulich sichtbar.

Ganz einfach zusammengefasst

Wenn Du Dir nur einige Begriffe merken möchtest, reicht zunächst diese Vorstellung:

Quant bedeutet eine bestimmte kleine Portion einer physikalischen Größe.

Photon ist ein Quant des Lichts beziehungsweise elektromagnetischer Strahlung.

Quantenzustand beschreibt die möglichen Messergebnisse eines Quantensystems.

Wellenfunktion ist ein mathematisches Werkzeug zur Beschreibung des Quantenzustands.

Superposition bedeutet, dass verschiedene Möglichkeiten in einem Quantenzustand überlagert sein können.

Unschärferelation bedeutet, dass bestimmte Größen wie Ort und Impuls nicht gleichzeitig beliebig genau festgelegt sein können.

Verschränkung bedeutet, dass mehrere Quantensysteme einen gemeinsamen Zustand besitzen können und ihre Messergebnisse besondere Zusammenhänge zeigen.

Dekohärenz erklärt mit, warum die empfindlichen Überlagerungen der Quantenwelt bei großen Alltagsgegenständen normalerweise nicht sichtbar bleiben.

Qubit ist eine Informationseinheit eines Quantencomputers, die Quanteneigenschaften wie Superposition nutzen kann.

Wenn Du diese Grundbegriffe verstanden hast, hast Du bereits einen sehr guten Einstieg in die Quantenmechanik. Die Mathematik dahinter kann kompliziert werden, aber die wichtigste Erkenntnis ist überraschend einfach: Auf der kleinsten Ebene verhält sich die Natur anders, als wir es aus unserem Alltag gewohnt sind.

Quellen und weiterführende Literatur

Die Inhalte dieses Artikels basieren auf anerkannten wissenschaftlichen Standardwerken und Veröffentlichungen zur Quantenmechanik. Als grundlegende Literatur wurden unter anderem Richard P. Feynman, Robert B. Leighton und Matthew Sands: The Feynman Lectures on Physics, Volume III: Quantum Mechanics, David J. Griffiths und Darrell F. Schroeter: Introduction to Quantum Mechanics, J. J. Sakurai und Jim Napolitano: Modern Quantum Mechanics, Werner Heisenberg: Physik und Philosophie sowie Erwin Schrödinger: Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanikberücksichtigt. Ergänzend wurden wissenschaftliche Informationsangebote und Veröffentlichungen der Max-Planck-Gesellschaft sowie verschiedener Max-Planck-Institute, insbesondere des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik, zur fachlichen Überprüfung und verständlichen Darstellung von Themen wie Superposition, Quantenverschränkung, Schrödingers Katze und modernen Anwendungen der Quantenmechanik herangezogen. Die Max-Planck-Gesellschaft beschreibt die Quantenmechanik als fundamentale Theorie der modernen Physik und als eine der experimentell besonders gut bestätigten physikalischen Theorien.

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