Letzte Aktualisierung: 13. Februar 2023

Unsere Materie ist keine Quantenmaterie!

Bildbeschreibung: In der Welt des unendlich Kleinen können die Orbitale des Elektrons je nach Beschaffenheit des Atoms unterschiedliche charakteristische Formen annehmen. Wasserstofforbitale haben eine Kugelform, Sauerstofforbitale haben die Form von zwei Wassertropfen, Eisenorbitale haben die Form von vier Wassertropfen. Diese Form des Atomorbitals definiert die „Größe des Atoms“ (≈ 10).^-10), obwohl die Größe eines Atoms nicht sehr genau gemessen werden kann, da die Form dieses Bereichs des Atomraums von der Energie des Elektrons und seinem Drehimpuls abhängt. Bildnachweis:vulgarisation.fr

Quantenfremdheit

„Ich denke, man kann mit Sicherheit sagen, dass niemand die Quantenphysik wirklich versteht.“ Richard Feynman (1918–1988), Theoretiker der Quantenphysik.
Die Auswirkungen der Quantenphysik sind so komplex und ungewöhnlich, dass ein Großteil der wissenschaftlichen Gemeinschaft beschlossen hat, ihnen auszuweichen. Allerdings sind sich die Physiker darüber einig, wie die Berechnungen zur Erklärung von Quantenphänomenen durchzuführen sind, es besteht jedoch kein Konsens über eine einzige Erklärungsmöglichkeit. Damit bleibt das Feld für alle Popularisierungen offen, vor denen wir uns in Acht nehmen müssen. Viele Artikel oder Videos erklären uns, dass alles Quanten ist.
Der Begriff Quanten wird in vielen Bereichen des täglichen Lebens (Kernphysik, Chemie, Festkörperphysik, Optik, Kosmologie, Elektronik, Medizin, Biologie usw.) oft unkritisch verwendet. Diese Quantenfremdheit von Materie und Licht hat sich in unserer klassischen Welt verbreitet.
Auf der Teilchenskala ist das Atom ein Quantum, das Photon ein Quantum und daher ist durch Extrapolation das gesamte Universum (Materie und Energie) ein Quantum. Daher ist es einfach, den Begriff Quantum auf alles Existierende zu verallgemeinern. Aber obwohl die Quantenphysik Auswirkungen auf die makroskopische Skala hat, betrifft sie hauptsächlich die Welt des unendlich Kleinen, die der Teilchen, Atome und Moleküle von einigen Dutzend Atomen. Nur auf dieser atomaren und subatomaren Skala erscheinen Quantenkonzepte der Materie. Zu diesen Konzepten, die hier nicht erklärt werden, gehören Teilchenwellen-Dualität, Zustandsüberlagerung, Quantenverschränkung oder sogar Nichtlokalität. Dank dieser Konzepte beschreibt die Quantenphysik mit großer Präzision die Struktur der Materie mit ihren physikalischen Eigenschaften (Masse, Radius, Art der chemischen Bindung, Stabilität, Energieniveau usw.).

Beispiele für Quantenkonzepte

- Das isolierte Atom ist eine Welle in der Größenordnung eines Nanometers.
- Ein isoliertes Eisenatom im Vakuum nimmt gleichzeitig unendlich viele verschiedene Positionen ein.
- Wenn zwei Photonen gemeinsam erzeugt werden, bleiben sie unabhängig vom Abstand, der sie trennt, verschränkt.

Warum verschwinden diese Quantenzustände auf der makroskopischen Skala?

Diese Materiezustände widersprechen der Intuition, weil wir sie in unserer Welt, die aus Milliarden und Abermilliarden von Teilchen besteht, nicht beobachten. Auf mikroskopischer Ebene verhält sich ein isoliertes Quantenobjekt eher wie eine Welle, die den gesamten Raum einnimmt, und es ist unmöglich, sie genau zu lokalisieren. Das heißt, wenn eine Interaktion darauf einwirkt, trifft es auf ein diffuses, eher unscharfes Objekt und nicht auf ein Korpuskel, das an einem ganz bestimmten Ort ein bestimmtes Volumen hätte. Über die Theorie der Dekohärenz besteht Konsens. Es sagt uns, dass es kein Quant mehr ist, sobald das Objekt zu groß ist oder mit zu viel Materie in der Umgebung (Luft, Flüssigkeit, Feststoff, Licht usw.) interagiert.

Durch die Interaktion mit der Umgebung wechselt das Quantenobjekt in eine andere Skala. Auf seinen Wanderungen trifft es auf andere Objekte in der Umgebung (Materie und Licht) und interagiert mit ihnen.
Die Komplexität dieser Wechselwirkungen ist so groß, dass sie Stellung beziehen muss, da alle ihre Quantenzustände schnell inkohärent werden, daher der Name der Dekohärenztheorie. Mathematisch gesehen zerstören diese Wechselwirkungen die Quantenphase des Objekts, also die Manifestation der Welle. Diese Phasenverschiebung wird schließlich Null und das Objekt erscheint in unserer makroskopischen Welt in einem der physikalischen Zustände des Systems, dem wahrscheinlichsten. Mit anderen Worten: Jede Kollision mit Atomen in der Umgebung reduziert das Quantenobjekt. Dies wird als „Wellenpaketreduzierung“ bezeichnet.

Da sich ein Quantenobjekt nicht aus der terrestrischen Umgebung herauslösen kann, woher wissen wir dann, dass seine Quantenzustände existieren?

Alle Experimente in der Quantenphysik werden unter extremen Bedingungen durchgeführt, im Ultrahochvakuum oder bei sehr niedrigen Temperaturen (nahe dem absoluten Nullpunkt) oder beidem. Manchmal sogar bei sehr hohem Druck, der hundertmal höher ist als der unserer Umgebung.
Auf jeden Fall darf unser Teilchen bis zur Messung nie auf andere Teilchen treffen. Selbst Supraleitung (Fehlen eines elektrischen Widerstands) oder Suprafluidität (Fehlen jeglicher Viskosität), die auf makroskopische Objekte wirken, können sich bei Raumtemperatur nicht manifestieren. Sie werden beobachtet, wenn die Temperatur den absoluten Nullpunkt erreicht. Wenn beispielsweise flüssiges Helium auf weniger als zwei Grad an den absoluten Nullpunkt gebracht wird, werden die Teilchen wieder zu Wellen und vereinen sich zu einer einzigen Riesenwelle, die dem Bose-Einstein-Kondensat entspricht.
Solange extreme Vakuum- und Temperaturbedingungen bestehen bleiben, widersteht die Welle der Dekohärenz und bleibt bestehen. Deshalb dringt flüssiges Helium bei zwei Grad vom absoluten Nullpunkt durch die Nanolöcher in der Glaswand (die Welle hat keine Viskosität mehr). Sobald die Welle das Glas verlässt, interagiert sie mit der Materie (Luft) und verschwindet, um sich als Teilchen zu manifestieren. Heliumtropfen kondensieren unter dem Glas.
Ohne seine extremen Bedingungen gibt es in unserem täglichen Leben keine Quanteneffekte, unsere Umwelt ist zu reich, zu chaotisch, zu aufgeregt, zu ungeordnet. Allerdings sind Quanteneffekte nicht auf einmal vorhanden oder nicht vorhanden. Wir gehen nicht von einer zu reichhaltigen Umgebung, in der es keine Quanteneffekte gibt, zu einer Umgebung über, die sehr arm an Informationen ist, in der Quanteneffekte auftreten. Die Wellenfunktion φ(r,t) oder die Anwesenheitswahrscheinlichkeitsdichte verschwindet nicht sofort, sondern wird langsam schwächer, bevor sie in der klassischen Welt verschwindet. Alle Quantenobjekte werden durch diese Wellenfunktion (psi) charakterisiert. Sie beschreibt die Wahrscheinlichkeit, mit der sich ein Teilchen an einem Ort im Raum befindet. Erst während der Messung reduziert sich das Partikel (interagiert mit seiner Umgebung) auf einen genau wahrscheinlichen, aber unvorhersehbaren Ort.
Das Quantenobjekt hat immer eine Dekohärenzzeit, um im klassischen Zustand zu erscheinen, es ist klein, aber nicht Null; Das ist es, was uns erlaubt, es zu messen.

Zusammenfassend