3.1 Exkurs Quantenmechanik

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Die Entwicklung der Atom-Vorstellung

Atom
  1. Körnerartiges Atom. Vorstellung von Demokrit 400 v.Chr., der es griechisch Atomos (=unteilbar) nennt.
  2. Elektronen kreisen um einen Kern (Bohr und Rutherford).
  3. Quantenmechanik: Elektronen sind Kraftpakete (=Quanten) in Wellenform, also Energien mit gewissen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten (Planck und Schrödinger).

Wie kam es zur Theorie der Quantenmechanik und was beinhaltet sie?

Thomas Young

Thomas Young,
www.wikipedia.org


Max Planck

Max Planck,
www.wikipedia.org

1. Welle oder Teilchen?

Ein einfacher Versuch des Arztes Thomas Young 1802 brachte ein erstaunliches Ergebnis. Er ließ Licht durch einen Spalt strahlen und erhielt eine scharfrandige Abbildung, die unserer Alltagserfahrung entspricht. Erklärbar durch einzelne Lichtteilchen (Photonen), die von der Lichtquelle ausgesendet werden und durch den Spalt treten.

In einem zweiten Versuch ließ er Licht durch 2 benachbarte Spalte scheinen und erhielt jetzt nicht 2 Abbilder der Spalten, sondern ein Interferenzmuster, wie es nur bei Wellen auftritt.

Die Quantenmechanik führt zu einem völlig neuen Weltbild:

Bisher gab es Materie, bestehend aus festen Teilchen und andererseits Wellen, bestehend aus Energie. Jetzt kann man Licht als Welle beschreiben und bei anderen Versuchen Licht als Teilchen beobachten. Sogen. Wellen-Teilchen-Dualität, d.h. 2 unterschiedliche Erklärungen sind für dieselbe Sache gültig. Somit ein Widerspruch. Die Quantenmechanik benutzt ausschließlich die Wellentheorie.

Doppelspaltversuch

Eine sehr gute Animation zum Doppelspaltversuch
bei http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph12/simulationen/06doppelspalt/doppels_keimyung.htm

Später fand man heraus, dass auch wenn man nur 1 Photon einer Lichtquelle aussendet, ein Interferenzmuster entsteht. Dies zeigt den Wellencharakter des Lichtes.

Bis heute kann nicht sicher geklärt werden, ob Licht aus Teilchen oder Wellen besteht. Es hat die Eigenschaften von beidem. Eine Eigenschaft, die man nur bei den allerkleinsten Teilchen findet. Das war das Ende der Absolutheit in der Physik und die Feststellung des „Sowohl-als-auch“.

Max Planck (1904) schlug einen Kompromiss vor: Licht besteht aus Wellen, die wiederum aus kleinen einzelnen Energiepaketen (Planck`sches Wirkungsquantum) bestehen.

2. Die entscheidende Rolle des Beobachters

Der Beobachter entscheidet, mit welchem Versuchsaufbau er arbeitet. Damit kann er entscheiden, ob er Licht als Welle oder Teilchen beobachtet. Nicht das Licht selbst, sondern der Beobachter entscheidet wie er Licht wahrnimmt.

Ferner kann eine Beobachtung mittels Licht kleine Teilchen so stören, dass sie sich verändern (s.u.). Die Beobachtung selbst entspricht also einem aktiven Prozess, der das Experiment eben nicht nur beobachten, sondern auch beeinflussen kann.

Damit war erstmals der Beobachter als mit entscheidender Faktor in das Experiment eingeführt (John Wheeler ca. 1950).

Bisher war Wissenschaft „objektiv". Hier wurde in der Wissenschaft erstmals klar, dass es keinen objektiven Gegenstand gibt, der nicht vom Subjekt beeinflusst ist. Subjekt und Objekt stehen in einer abhängigen Beziehung. Wissenschaft ist somit auch „subjektiv".
Schauen wir uns den Ablauf bei einer Beobachtung genauer an:
Wir beobachten einen Gegenstand. Dazu brauchen wir Licht. Dieses trifft auf den Gegenstand, der einen Teil des Lichtes absorbiert (=aufnimmt) und einen anderen Teil auf unsere Augen reflektiert (=zurückwirft). Jetzt sehen wir den Gegenstand und unser Gehirn nimmt ihn wahr.

So ist der Ablauf bei großen Gegenständen.

Jetzt beobachten wir einen kleinen Gegenstand, ein Atom, und nehmen so wenig Licht wie möglich (ein Lichtquant = ein Photon). Dieser Lichtquant trifft auf das Atom und beeinflusst die Teilchen des Atoms. Somit hat sich dieser kleine Gegenstand verändert. Wenn er aber schon einmal zuvor mit Licht beobachtet wurde oder mit anderer Energie in Berührung kam, dann hatte er auch schon vor unserer Beobachtung nicht mehr seinen ursprünglichen Zustand. Zumindest nach unserer Beobachtung wurde er beeinflusst.
Folgerung: Materie kann nie genau definiert werden, sie stellt sich immer in unterschiedlichen Wechselwirkungen zur Umgebung dar. Ihre kleinsten Teilchen sind nicht fest lokalisiert, sondern nur mit gewissen Wahrscheinlichkeiten beobachtbar.

Werner Heisenberg

Werner Heisenberg,
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3. Naturgegebene „Ungenauigkeit"

Heisenberg kam in jungen Jahren in einer schlaflosen Nacht auf Helgoland zu einer bahnbrechenden Berechnung:
Es ist unmöglich, zur selben Zeit den Ort und die Geschwindigkeit eines Teilchens zu bestimmen. Es können also 2 physikalische Größen nicht gleichzeitig gemessen werden. Wenn man die Geschwindigkeit genau misst, dann kann man den Ort nur ungefähr bestimmen und umgekehrt (sogen. Heisenberg`sche Unschärferelation).

Diese Unschärfe hat nichts mit Ungenauigkeit von Messapparaten zu tun, sondern ist naturgegeben. Das sagt uns: Im Mikrokosmos (Atomebene) ist nichts genau messbar oder vorhersehbar.
Aber: Dieses gilt nur für Ereignisse, die wir beobachten. Über unbeobachtete Ereignisse können wir keine Aussage treffen! Solange man ein Teilchen nicht beobachtet, muss man davon ausgehen, dass es sich überall und nirgendwo gleichzeitig befindet.

Inschrift des Gedenksteins auf Helgoland:

Im Juni des Jahres 1925 gelang hier auf Helgoland dem 23-jährigen Werner Heisenberg der Durchbruch in der Formulierung der Quantenmechanik, der grundlegenden Theorie der Naturgesetze im atomaren Bereich, die das menschliche Denken weit über die Physik hinaus tiefgreifend beeinflusst hat.

Max-Planck-Institut für Physik
(Werner-Heisenberg-Institut)
und Deutsche Physikalische Gesellschaft
im Juni 2000

Und so hat er es selbst beschrieben:

„In Helgoland war ein Augenblick, in dem es mir wie eine Erleuchtung kam, als ich sah, dass die Energie zeitlich konstant war. Es war ziemlich spät in der Nacht. Ich rechnete es mühsam aus, und es stimmte. Da bin ich auf einen Felsen gestiegen und habe den Sonnenaufgang gesehen und war glücklich".

Ferner lässt die Quantenmechanik keine Einzelbetrachtung zu, sondern nur statistische Aussagen. Es kann nicht sicher vorhergesagt werden, wo sich z.B. ein Elektron im nächsten Augenblick befinden wird. Elektronen kreisen nicht auf einer festen Bahn, sie schwirren um einen Atomkern und haben dabei gewisse Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.

WasserstoffatomDie Abbildung rechts zeigt einen Schnitt durch die dreidimensionale Darstellung eines Wasserstoffatoms. Verschiedene Farben entsprechen dabei den verschieden großen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten des Elektrons in den Teilgebieten. Außerhalb der „Keulen" ist das Elektron nur sehr selten anzutreffen.


Darstellungsmöglichkeiten eines Elektrons

Elektron

Atommodell des Wasser nach BOHR: Atomkern ist ein Proton, das von einem Elektron auf einer festen Kreisbahn umflogen wird

Elektron

3-dimensionale Darstellung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons. (Teilchenvorstellung)

Elektron

Darstellung der Wellenfunktion von Elektronen als 3-D-Computeranimation. Auf einer Kupferoberfläche steht ein Ringwall von Atomen. Die Rillen im Ring stellen die Verteilungsdichte der Oberflächenelektronen dar. In der Mitte ist kein Atom zu finden.


Inspiration nach Fotos Prof. Krausz

Inspiration nach Fotos Prof. Krausz

Sensationelle und beste Fotografie eines Elektrons gelang Laserspezialisten der TU Wien. Prof. Krausz: „Man darf sich allerdings unsere ,Elektronen-Aufnahmen' nicht wie richtige Fotos vorstellen. Es gibt also leider kein Bild mit einem kleinen Kügelchen, dem fotografierten Elektron, darauf. Es ist eher so, dass wir bei unserem Experiment mit ein paar Tricks ein Elektron in seiner Bewegung ertappt haben, wir konnten mithilfe des kurzen Laserblitzes seine Handschrift erkennen, und dann Anfang, Ende und Dauer seiner Bewegung messen." Die Belichtungszeiten solcher Fotos sind im Bereich von Femto- und Attosekunden. Eine Femtosekunde, das ist – unvorstellbar, aber wahr – der millionste Teil einer Milliardstel-Sekunde. Und eine Attosekunde, die ist noch tausend Mal kürzer.

Das Elektron ist also nur zufällig an einem bestimmten Ort anzutreffen. Das führte nach Meinung vieler Physiker Zufälligkeit und Unvorhersehbarkeit in die Wissenschaft ein. Aber nochmals: Dieses gilt nur für von uns beobachtete Zustände. Vielleicht entwickeln wir neue Beobachtungsmöglichkeiten (Messgeräte) und kommen zu anderen Ergebnissen. Auch Einstein hatte hier ein Unbehagen, wollte das nicht wahrhaben und sagte: „Der Alte würfelt nicht" (gemeint war Gott, meist wird hier falsch zitiert „Gott würfelt nicht"). Das war Ausdruck seiner Empfindung. Physikalisch hatte er selbst zur Grundlage der Quantenmechanik beigetragen und dafür den Nobelpreis erhalten.

Diese und ähnliche Beobachtungen in der Quantenphysik haben dazu geführt, dass hierin der wissenschaftliche Beweis des Zufalls gesehen wird. Es könnte dahinter aber auch nur unsere Unkenntnis über einen größeren Zusammenhang stehen oder wie Albert Schweitzer empfindet: „Der Zufall ist das Pseudonym, das der liebe Gott wählt, wenn er inkognito bleiben will".

Albert Einstein, deutsche Briefmarke

Albert Einstein, deutsche Briefmarke

4. Schrödingers Katze in „Überlagerung"

CartoonErwin Schrödinger hat 1935 die Rolle des Beobachters und das Problem der Wahrscheinlichkeiten mit einem Gedankenexperiment auf die Spitze getrieben. Er wollte demonstrieren, dass Quantenphänomene nur im Mikrokosmos gültig sind und die Übertragung in unseren Alltag des Makrokosmos absurd ist:

Schrödinger

Schrödinger
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In einer verschlossenen Kiste befindet sich eine Katze zusammen mit einem radioaktiven Atom und einem Fläschchen Gift. Zerfällt das Atom, löst dies einen Mechanismus aus, der die Flasche zerschlägt; die Katze atmet die Giftdämpfe ein und stirbt. Nach der Quantentheorie gibt es zwar eine statistische Wahrscheinlichkeit für den Zerfall des Atoms, wann es aber tatsächlich zerfällt, ist vollkommen dem Zufall überlassen. Wäre auch die an dieses System gekoppelte Katze ein quantenmechanisches Objekt, so wäre auch der Zustand der Katze ungewiss. Solange man die Kiste nicht öffnet, also eine Messung vornimmt, weiß man nicht, ob die Katze noch lebt oder schon tot ist. Nach den Regeln der Quantenmechanik wäre die Katze bis zum Öffnen der Kiste weder tot noch lebendig, sondern eine „Überlagerung" der beiden Zustände „Katze tot" und „Katze lebendig". Erst wenn der Beobachter hineinschaut, müsste sie sich für einen Zustand „entscheiden".

Nehmen wir also an, das radioaktive Atom hat eine 50%ige Wahrscheinlichkeit in 1 Stunde zu zerfallen. So ist nach 1 Stunde die „Überlagerung" zerfallen/nicht zerfallen erreicht. Erst durch die Messung, also den Eingriff des Beobachters durch Anblick der Katze, ist der Zustand nicht nur erst bekannt, sondern existiert er überhaupt erst.

Schrödingers Katze

Eigene Kollage: Schrödingers Katze

Einstein wurde einmal gefragt: „Ist der Mond wirklich nicht da, wenn man nicht hinschaut?"
Seine Antwort: „Beweisen Sie mir das Gegenteil!"
Darauf gibt es schlichtweg keine Antwort.

Die Quantenmechanik birgt noch viele andere Rätsel, wie die „spukhafte Fernwirkung" von Zwillingsteilchen oder den ungeklärten Zusammenhang zu der Gravitation. Die Quantenmechanik berücksichtigt die Gravitation nicht!

Gravitation und widerspruchsfreie Quantenmechanik werden in der Stringtheorie (ab ca. 1970) vereint. Strings können theoretisch berechnet werden als unendlich dünne eindimensionale Fäden und Ringe, die energetisch angeregt sind, vibrieren. Voraussetzung hierfür ist eine Raumzeit von mindestens zehn Dimensionen. Neben den drei bekannten Raumdimensionen und der Zeit als vierte Dimension, kommen sieben weitere Dimensionen hinzu, die eingerollt, zunächst unsichtbar existieren. Sie können an bestimmten Raumpunkten aufgerollt werden und sich entfalten. Strings sind keine Materie, sondern energetische, schwingende Zustände. Danach ist alles reine Energie.

Makrokosmos zum Mikrokosmos

Darstellung vom Makrokosmos zum Mikrokosmos und ganz rechts zu den Strings (www.wikipedia.org).

Vertiefung hinsichtlich Zeit, Raumzeit, Gravitation usw. unter:
Spezielle Relativitätstheorie (noch nicht anklickbar)
Allgemeine Relativitätstheorie (noch nicht anklickbar)

Meine Erkenntnisse aus der Quantenmechanik:

  1. Wir können nicht erklären, woraus alles besteht: Materie, Teilchen? Oder: Energie, Welle?
  2. Ob man Teilchen oder Welle findet, hängt davon ab wie der Beobachter sucht. Die Bestandteile der kleinsten Bausteine unserer Welt sind also keine „Fakten", sondern Interpretationen abhängig vom Beobachter.
  3. Es gibt nicht die Realität, sondern nur meine Realität. Ich bin Teilnehmer eines Vorganges und mit mir wird der Ablauf ganz individuell sein und anders als mit einem anderen Teilnehmer/Beobachter.Metapher: Ich zappe auf 500 Fernsehkanälen, kann aber immer nur einen Kanal sehen. Du siehst einen anderen Kanal, beides sind Teile der Realität.
  4. Materie hat keine Konstanz. Durch jede Beobachtung oder Wechselwirkung kann sie verändert werden.
  5. Erst die Beobachtung beweist uns die Existenz von Dingen.
  6. Die Beobachtung selbst beeinflusst den Vorgang.
  7. Was Dinge machen, wenn sie keiner beobachtet, können wir nicht wissen.
  8. Teilchen (Materie) und Welle (Energie) können nicht an festen Aufenthaltsorten beobachtet werden. Man kann sie nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit antreffen.
  9. Materie (Teilchen) und Energie (Welle) sind nicht trennbar. Nach Einstein sind zusätzlich auch Raum und Zeit nicht trennbar (sogen. Raumzeit). Materie (z.B. Gehirn) und Geist/Seele sind zumindest beim Lebenden ebenfalls nicht trennbar.
  10. Es gibt in der Natur prinzipiell keine messbare Genauigkeit. Man kann nicht gleichzeitig Ort und Impuls eines Teilchens messen (Unschärferelation). Je genauer man einen Parameter misst, desto ungenauer wird ein anderer gemessen. Im Extremfall erscheint ein Teilchen und verschwindet plötzlich durch die Unschärfe zwischen Energie und Zeit. Diese Energie kann sich kurzfristig in Materie oder Antimaterie umwandeln. Die Grenze zwischen Energie und Materie kann überschritten werden.
  11. Untrennbare Einheit von: Materie, Teilchen, Welle, Energie, Raum, Zeit …
  12. Möglicherweise besteht alles, also Alles-was-ist, aus reiner Energie (Stringtheorie), die sich in unterschiedlichen Formen manifestieren kann, materieller, wie geistiger Form (instanton).
  13. Alles ist eins.

Alles gehört in der physikalischen Welt zusammen in einem holografischen Sinn, also alles ist in allem enthalten. Auch die Biologie zeigt diese holografische Eigenschaft. Jede Zelle von uns hat den genetischen Code unseres gesamten Körpers. In den Organen sind jeweils nur spezifische Gene aktiviert, die dieses Organ gebildet haben, steuern und regenerieren. Verlangsamung oder Stopp dieses Prozesses nennen wir Altern. Neue Forschungen zeigen, dass Stammzellen in jedem Alter aktiviert werden können. Stammzellen sind die ganz frühen Zellen unserer embryonalen Entwicklung, Zellen, aus denen noch alles werden kann, Gehirnzelle, Hautzelle, Knochenzelle ... Stammzellaktivierung gelingt z.B. mittels Neuroplastizität im Gehirn initiiert durch Lernvorgänge oder auch durch Bildung neuer Sehnenzellen initiiert durch spezielle Schallwellen (Extracorporale Stoßwellentherapie). Stammzellen und Gene können in unserem biologischen Rahmen alles. Nicht nur in physikalischen und biologischen Abläufen, auch in einer weiteren Naturwissenschaft, der Chemie finden wir die Vorstellung von: Alles ist eins. Unter diesem Aspekt ist z.B. Hitler ein Teil von uns allen. Nicht nur durch seinen Geist, der solche Taten in uns und mit uns möglich macht, sondern auch rein materiell. Nach der Wahrscheinlichkeitsrechnung hat jeder heute von uns eine Anzahl auch von Hitlers Atomen direkt in sich, in unseren Molekülen im Körper – und von allen anderen Lebewesen vor uns gilt dies natürlich auch.

Kollage

Eigene Kollage: Genetik und Evolution.

Sieht man die Seele als Teil einer universellen Seele an, dann gehört auch auf geistiger Ebene alles zusammen. Und auch die Grenze zwischen materieller und geistiger Welt verschwindet. Nähern wir uns von der Naturwissenschaft dieser Grenze zwischen Geist und Materie, dann kommen wir in den Bereich der Strings, die energetische Formen darstellen, die nicht mehr rein materiell beschreibbar sind. Und wir kommen in die Welt der Instantone, die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten darstellen von Energien, die sich materialisieren können und nach Ansicht von einigen Quantenphysikern auch mental hervorgebracht werden können. Geist und/oder Materie können hier aus einem „Nichts" entstehen, ineinanderübergehen und auch wieder im „Nichts" verschwinden. Dieses „Nichts" könnte das „Alles" sein, ein uns alle verbindendes Medium. Nähern wir uns von den Geisteswissenschaften und der Mystik her der Schnittstelle Geist/Materie, dann finden wir, dass der Geist sich materialisieren kann. Z.B. in der Kette: Denken → Handeln → Erschaffen. Es gibt also keine Grenzen und nichts Abgegrenztes. Alles ist eins. Mehr dazu im nächsten Kapitel.

Alles, so auch wir, sind Verbindungen in einem Atomnebel oder nach einem anderen Bild, unterschiedliche Formen von Energien in einem unendlichen Raum.

Man kann rein materiell von der Atomebene aus betrachtet folgendes Bild entwerfen. Seit dem Urknall (oder den Urknallen?) steht eine begrenzte Anzahl von Atomen zur Verfügung. Sie sind sehr stabil und langlebig, sie enthalten sehr hohe Energie, wie sie bei Kernspaltung als Atombombe frei werden kann. Atome können mit anderen Atomen Verbindungen eingehen und lösen. Dies geschieht nicht nur im Chemielabor, sondern auch bei physiologischen Abläufen. Der Mensch stirbt, er zerfällt in seine Atome. Die Atome liegen nun in der Erde und können neue Verbindungen eingehen zu einer Pflanze, einem Wurm … Das geht bei der Eintagsfliege schneller als beim Granitblock, gilt aber prinzipiell für alle Erscheinungsformen.

Man kann sich unsere Welt als einen Nebel von Atomen vorstellen, teils dichter und teils weniger dicht. Alle materiellen Existenzen bedienen sich dieses Pools. Ein Mensch ist eine sehr komplexe Ansammlung von Atomen, ein Wassertropfen eine einfachere Form. Im Prinzip besteht alles „nur" in einer vorübergehenden Kombination und Dichte von Atomen in einem Prozess, der ständig im Fluss und Austausch steht. Ein Mensch wechselt alle seine Atome in ca. 5 bis 8 Jahren. Jeder hat seine individuelle Identität, aber wir tauschen unsere materiellen Bausteine ständig aus. Alle gehören zu einem Atomnebel, einer Ursuppe, die dauernd wechselnde Bindungen eingeht und dabei unterschiedliche passagere Formen hervorbringen vom Sandkorn bis zum Elefanten, vom Wassertropfen bis zur Galaxie. Auch der organische Mensch ist nur eine vorübergehende Form aus Kombinationen von Urknallteilchen. Dies beschreibt allerdings nur 4 % der Erscheinungsformen des Universums. Die restlichen 96 % bestehen aus sogen. dunkler Materie und dunkler Energie. Von beidem wissen wir so gut wie nichts, aber nach Materie sieht es nicht aus.

Mein Fazit:

Alles ist eins!
Materiell gesehen gehören alle Existenzen zusammen und bilden ein Ganzes. Geistig scheint es auch so zu sein, in Form einer gemeinsamen Urseele. Grenzen zwischen materieller und geistiger Welt existieren nicht. Alles hat mit allem zu tun. Alles beeinflusst sich gegenseitig.

Danach fühle ich mich wie ein Teilchen im Nebel einer großen Masse mit fließenden Übergängen zwischen Geist, Materie ... allem. Wir bestehen aus kleinen inkonstanten Teilchen in ständiger Wechselwirkung. Einen Sinn können wir in der Gesamtheit empfinden.
Jedes Ich-bezogene Vorteilsdenken wird unsinnig.

Jede Differenzierung oder Bewertung
zwischen Menschen untereinander oder
zwischen Menschen und Tieren oder
zwischen Lebewesen und Materie oder
zwischen Zukunft und Vergangenheit oder
zwischen Leben und Tod, eben allem, ist unsinnig.

Wir sollten in jeder Hinsicht für alles offen sein im Bewusstsein einer altruistischen Universumsgemeinschaft in Bescheidenheit und Demut vor dem großen Ganzen und einer transzendenten uns alle verbindenden Kraft, die einige Gott nennen.
Zurück zu unserem Beispiel mit dem Chlorophyll und den kleinsten Bausteinen aller Dinge.

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