SIMPLY. Quantenphysik E-Book

Dr. Ben Still

• Herausgeber: Dorling Kindersley Verlag
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 96

Veröffentlichungsjahr: 2023

Beschreibung

Quantenphysik überraschend einfach! Visueller kann Wissen nicht sein: SIMPLY Quantenphysik ist die perfekte Einführung in die faszinierende Welt der Quantenmechanik – für alle, die wenig Zeit haben, aber hungrig nach Wissen sind! Mittels origineller Grafiken und kurzer Texterläuterungen werden die Grundlagen der subatomaren Physik auf das Wesentliche reduziert und bahnbrechende Arbeiten berühmter Physiker*innen wie Albert Einstein, Nils Bohr und Erwin Schrödinger visualisiert. Der einfache Einstieg in die Quantentheorie: Die neue Sachbuch-Reihe SIMPLY macht komplizierte Themen auf originelle Art anschaulich und damit leicht verständlich. • Schneller Zugang zu Wissen: Jedes Unterthema wird auf einer einzigen Seite dargestellt – mit einer individuellen Text-Bild-Komposition, passend zum Inhalt. • Die Grundlagen der Quantenmechanik auf einen Blick: Über 100 Schlüsselbegriffe der Quantenphysik werden in durchdachten Grafiken und komprimierten Texten nachvollziehbar aufbereitet. Das Verhalten der Teilchen im subatomaren Raum – visualisiert in übersichtlichen GrafikenVon der Stringtheorie und Schrödingers Katze über die Unschärferelation und den Quanten-Handshake bis hin zu physikalischen Rätseln und Quantenphänomenen: Das visuelle Nachschlagewerk beleuchtet über 100 zentrale Themen der Quantenphysik und beantwortet spannende Fragen, wie zum Beispiel, ob sich ein Teilchen an zwei Orten zugleich aufhalten kann. Die anschaulichen Grafiken und Diagramme erleichtern den Zugang zu komplexen Theorien und bringen das Wesentliche auf den Punkt. Quantenphysik einfach erklärt: DAS Buch für Einsteiger*innen in die erstaunliche Welt der subatomaren Physik, die den gesunden Menschenverstand manchmal an seine Grenzen bringt.

Leseprobe

SIMPLY

QUANTEN-

PHYSIK

WISSEN AUF DEN PUNKT GEBRACHT

INHALT

Lektorat

Miezan van Zyl, Angeles Gavira, Gillian Reid,

Liz Wheeler, Jonathan Metcalf

Gestaltung und Bildredaktion

Mik Gates, Clare Joyce, Michael Duffy,

Karen Self

Umschlaggestaltung

Sophia M.T.T., Akiko Kato

Herstellung

Meskerem Berhane

Für die deutsche Ausgabe:

Verlagsleitung Monika Schlitzer

Programmleitung Heike Faßbender

Redaktionsleitung Dr. Kerstin Schlieker

Herstellungsleitung Dorothee Whittaker

Herstellungskoordination Bianca Isack

Herstellung Inga Reinke

Titel der englischen Originalausgabe:

Simply Quantum Physics

© Dorling Kindersley Limited, London, 2021

Ein Unternehmen der

Penguin Random House Group

Alle Rechte vorbehalten

© der deutschsprachigen Ausgabe by

Dorling Kindersley Verlag GmbH, München, 2023

Alle deutschsprachigen Rechte vorbehalten

Deutsche digitale Ausgabe, 2023

Dorling Kindersley Verlag GmbH

Jegliche – auch auszugsweise – Verwertung,

Wiedergabe, Vervielfältigung oder Speicherung,

ob elektronisch, mechanisch, durch Fotokopie oder

Aufzeichnung, bedarf der vorherigen schriftlichen

Genehmigung durch den Verlag.

Übersetzung Dr. Stephan Matthiesen

Lektorat Manuela Kupfer

eISBN 978-3-8310-8308-4

www.dk-verlag.de

DIE

QUANTENWELT

8 VERSCHWINDEND KLEIN

Subatomare Größenordnungen

10 DREI WINZIGE TEILCHEN

Der Aufbau des Atoms

12 TEILCHENZOO

Subatomare Teilchen

14 WAS IST LICHT?

Elektromagnetische Strahlung

15 QUANTENKONSTANTE

Plancksches Wirkungsquantum

16 SCHWINGUNGEN IM RAUM

Wellen

18 WELLE ODER TEILCHEN

Welle-Teilchen-Dualismus

20 ZUSAMMENHALT

Die starke Wechselwirkung

21 DIE KRAFT DES ZERFALLS

Die schwache Wechselwirkung

22 GEGENSÄTZE ZIEHEN SICH AN

Die elektromagnetische Kraft

23 ALLES FÄLLT

Die Schwerkraft

KLASSISCHE

PHYSIKRÄTSEL

26 IDEALE STRAHLER

Schwarzkörperstrahlung

27 DIE UV-KATASTROPHE

Das Rayleigh-Jeans-Gesetz

28 ENERGIEPAKETE

Quantisierung der Energie

30 ENERGIEZUSTÄNDE

Energiezustände von Atomen

31 WAHRSCHEINLICHKEITS-

WOLKEN

Atomorbitale

32 PHOTONENENERGIE

Der fotoelektrische Effekt

DIE WELLEN-

FUNKTION

36 QUANTENZUSTÄNDE

BESCHREIBEN

Die Wellenfunktion

38 AN ZWEI ORTEN ZUGLEICH

Superposition

40 QUADRAT DER WELLE

Bornsche Regel

41 WELLENTRANSFORMATIONEN

Fourier-Transformationen

42 NICHT ALLES IST WISSBAR

Heisenbergsche

Unbestimmtheitsrelation

44 ENTWICKLUNG IN DER ZEIT

Schrödinger-Gleichung

46 WAS IST EINE MESSUNG?

Das Messproblem

48 PLÖTZLICHER KOLLAPS

Kollaps der Wellenfunktion

49 PARADOXON IM KASTEN

Schrödingers Katze

INTERPRETATIONEN

DER QUANTEN-

MECHANIK

52 QUANTENPHYSIK VERSTEHEN

Die Kopenhagener Deutung

54 ALLES KANN UND

WIRD GESCHEHEN

Die Viele-Welten-Interpretation

55 EWIGE WIEDERHOLUNG

Die kosmologische Interpretation

56 UNSICHTBARE EINFLÜSSE

Verborgene Variablen

58 EIN QUANTEN-HANDSHAKE

Die Transaktions-Interpretation

59 SPONTANER KOLLAPS

Dynamischer-Kollaps-Theorien

60 SELEKTION DER ZUSTÄNDE

Quanten-Darwinismus

61 GLAUBE DES BEOBACHTERS

Quanten-Bayesianismus

62 DURCH DAS LABYRINTH

Konsistente Historien

63 VERSCHIEDENE ANSICHTEN

Die relationale Interpretation

QUANTEN-

PHÄNOMENE

66 DER SPIN

Intrinsischer Drehimpuls

67 TEILCHEN MIT MAGNETFELD

Magnetisches Moment

68 DIE GROSSE TEILUNG

Fermionen und Bosonen

69 KEIN PLATZ FÜR ZWEI

Das Pauli-Ausschließungsprinzip

70 WELCHE BARRIERE?

Quantentunneln

72 ÜBER JEDE ENTFERNUNG

Quantenverschränkung

74 »BEAMEN« VON ZUSTÄNDEN

Quantenteleportation

75 INSTABILE UMGEBUNG

Dekohärenz

76 IN FESTEN STOFFEN

Festkörperphysik

78 MERKWÜRDIGE ZUSTÄNDE

Bose-Einstein-Kondensate

80 FLIESSEN OHNE WIDERSTAND

Suprafluidität

81 EWIGER STROMFLUSS

Supraleitung

82 SELTSAME QUANTENATOME

Tieftemperaturphysik

83 UNGEWÖHNLICHE ORBITALE

Rydberg-Atome

QUANTEN-

TECHNOLOGIE

86 UNTER PHOTONENBESCHUSS

Stimulierte Emission

87 HOCHKONZENTRIERT

Laser

88 GENAUE ZEIT

Atomuhren

90 FESTKÖRPER

Bändermodell für Festkörper

91 SILIZIUMCHIPS

Transistoren

92 LICHTABGABE

Leuchtdiode (LED)

93 KAMERASENSOREN

Charge-coupled device (CCD)

94 LEVITATION

Supraleitende Elektromagnete

95 TUNNELNDE PAARE

Josephson-Effekt

96 SQUIDS

Supraleitende Magnetsensoren

98 BLICK INS INNERE

Magnetresonanztomografie

100 SEHEN OHNE LICHT

Elektronenmikroskope

102 ATOME ERTASTEN

Rasterkraftmikroskope

QUANTEN-

INFORMATION

106 NICHT NUR

NULLEN UND EINSEN

Qubits

107 SUPERSCHNELL

Quantencomputer

108 QUANTENCODES

Quantenkryptografie

109 SIMULATOREN

Quantensimulation

KERNPHYSIK

112 SUCHE NACH STABILITÄT

Radioaktivität

114 ATOME TEILEN

Kernspaltung

116 ATOME VERSCHMELZEN

Kernfusion

TEILCHENPHYSIK

120 JAGD NACH

FLÜCHTIGEN TEILCHEN

Teilchendetektoren

121 ZUSAMMENSTÖSSE

Teilchenbeschleuniger

122 KLEINER ALS EIN ATOM

Quarks

123 KEINE STARKE KRAFT

Leptonen

124 ORDNUNG IN DER

QUANTENWELT

Das Standardmodell

126 TRÄGER DER GRUNDKRÄFTE

Eichbosonen

127 WO DIE MASSE HERKOMMT

Das Higgs-Boson

128 DAS GEGENSTÜCK ZUR MATERIE

Antimaterie

130 NOCH KEIN STANDARD

Jenseits des Standardmodells

132 UNIVERSELLE FELDER

Quantenfeldtheorie

134 DAS JUWEL DER PHYSIK

Quantenelektrodynamik

135 DREIFARBIGE QUARKS

Quantenchromodynamik

QUANTEN-

GRAVITATION

138 ALLE KRÄFTE ZUSAMMEN

Eine Theorie von Allem

140 QUANTENSCHAUM

Planck-Länge und Planck-Zeit

142 VIBRIERENDE FÄDEN

Stringtheorien

143 VIELDIMENSIONALE FÄDEN

M-Theorie

144 DER STOFF DES RAUMS

Schleifenquantengravitation

QUANTEN-

BIOLOGIE

148 PHOTONEN UND LAUB

Fotosynthese

150 IN UNSERER DNA

Quantentheorie von Mutationen

151 TUNNELN ZUR REAKTION

Enzyme und Quantenphysik

152 MAGNETWAHRNEHMUNG

Quantennavigation

154 UNSER GERUCHSSINN

Die Quantennase

155 QUANTENBEWUSSTSEIN?

Der Quantengeist

156 REGISTER

BERATENDER HERAUSGEBER

Dr. Ben Still ist ein preisgekrönter Wissen-

schaftskommunikator, Teilchenphysiker

und Autor. Er lehrt Oberstufenphysik und

ist Gastwissenschaftler an der Queen Mary

University in London. Er ist Autor einer

wachsenden Anzahl populärer Wissen-

schaftsbücher und lehrt weltweit die

Teilchenphysik mithilfe von LEGO®.

MITWIRKENDE

Hilary Lamb ist preisgekrönte Journalis-

tin und Autorin, die über Wissenschaft

und Technik schreibt. Sie hat zu früheren

Titeln des DK Verlags beigetragen, etwa

The Visual Encyclopedia, #dkinfografik:

Technik einfach verstehen und Big Ideas:

Das Physik-Buch.

Giles Sparrow ist populärwissenschaft-

licher Autor, der sich auf Physik und

Astronomie spezialisiert hat. Er hat zu

DK-Bestsellern wie Big Ideas: Das Physik-

Buch, Space flight, Universum sowie

Wissenschaft & Technik beigetragen.

D i e

Q u a nt

W e lt

e n -

Die Quantenphysik beschreibt, wie sich die Welt auf den

allerkleinsten Größenordnungen verhält. Auf Skalen weit

jenseits der besten Mikroskope beschreibt sie das Verhalten

und die Wechselwirkung der Atome und der Teilchen, aus

denen sie bestehen – den fundamentalen Bausteinen der

Materie. Wissenschaftler bestätigten die Existenz subato-

marer Teilchen erst 1897 mit der Entdeckung des Elektrons

durch J. J. Thomson, aber die Möglichkeit, dass sich diese

winzigen Teilchen manchmal wie Wellen verhalten, also

der Schlüssel zum Verständnis der seltsamen Quantenwelt,

wurde erst 1924 von Louis Victor de Broglie erkannt.

Atome sind nur etwa ein Hun-

derttausendstel so groß wie

die kleinsten noch mit bloßem

Auge sichtbaren Dinge. Der

Großteil des Volumens des

Atoms ist »leerer« Raum.

Der Kern eines

Wasserstoffatoms

ist ein einzelnes

Teilchen, ein

Proton, mit einem

Durchmesser von

1,8 billiardstel

Meter.

Quarks sind

eine Gruppe von

Elementarteilchen

und wichtige Bau-

steine der Materie.

Im Mittelpunkt des

Atoms befindet

sich der Atomkern:

eine dichte Region,

die praktisch die

gesamte Masse des

Atoms enthält.

Die Elektronen, die die

Hülle der Atome bilden,

sind Elementarteilchen auf

ähnlichen Größenordnun-

gen wie die Quarks.

8 SUBATOMARE GRÖSSENORDNUNGEN

ATOM 10–10

M

10–14

ATOMKERN

M–10–15

M

NUKLEON 10–15

M

QUARK 10–18

ELEKTRON ~10–18

M

M

Dies ist die kleinste Länge,

die in den heutigen physika-

lischen Theorien möglich ist.

Auf Größenordnungen unter

der Planck-Länge versagen

die heutigen Theorien und

können keine sinnvollen

Vorhersagen mehr machen.

VERSCHWINDEND

KLEIN

Zwar haben die größten Atome etwa einen halben Nano-

meter (milliardstel Meter) Durchmesser (weniger als ein

Hunderttausendstel der Dicke eines Haars), doch der

größte Teil des Volumens wird von einer dünnen Elektro-

nenwolke gefüllt, die einen kleinen, dichten Kern umgibt.

Atomkerne sind typischerweise einige Femtometer

(billiardstel Meter) groß und gewöhnlich treten seltsame

Quanteneffekte auf diesen (oder noch kleineren) Größen-

ordnungen auf. Die kleinste Länge, die überhaupt physika-

lischen Sinn ergibt, ist die Planck-Länge (siehe S. 140–141).

SUBATOMARE GRÖSSENORDNUNGEN 9

Quantenskalen

Die Quantenphysik erforscht

Phänomene, die auf extrem kleinen

Größenordnungen (Skalen) auftreten.

Subatomare Teilchen kann man nicht

direkt beobachten, aber mit Experi-

menten ihre Auswirkungen studieren.

PLANCK-LÄNGE

10–35

M

1803 veröffentlichte

John Dalton die Theo-

rie, dass alle Materie

aus Atomen besteht –

unteilbaren Kugeln,

die weder geschaffen

noch vernichtet wer-

den können. Atome

verbinden sich aber

mit anderen Atomen

und können so neue

Stoffe bilden.

Im Modell von

J. J. Thomson

(1903) sind negativ

geladene Elektronen

zufällig in einer posi-

tiv geladenen Kugel

verteilt.

Experimente führten

Ernest Rutherford

1911 zu einem

Modell, bei dem die

gesamte positive

Ladung in einem

kleinen dichten Kern

konzentriert ist, um

den die Elektronen

kreisen – ähnlich

wie Monde um

einen Planeten.

Um Lichtemission

und -absorption zu

erklären, können

im Modell von Niels

Bohr (1913) die

Elektronen nur in

bestimmten »Scha-

len« kreisen.

DREI WINZIGE TEILCHEN

Atome sind die fundamentalen Bausteine der makroskopischen

Materie: Teilchen, die man früher für unteilbar hielt und die durch

ihre kollektiven chemischen oder physikalischen Eigenschaften

ein bestimmtes Element repräsentieren. Auf einer tieferen Ebene

bestehen aber alle Atome aus Kombinationen dreier subatomarer

Teilchenarten: positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen

im Kern, umgeben von einer größeren Wolke aus negativ ge-

ladenen Elektronen (siehe S. 31), die es den Atomen ermöglicht,

mit anderen Atomen Bindungen einzugehen.

10 DER AUFBAU DES ATOMS

KUGELMODELL

ROSINENKUCHENMODELL

RUTHERFORDSCHES MODELL

BOHRSCHES MODELL

Elektronenwolken

In modernen Atommodellen sind die

Elektronen keine festen Kugeln, die den

Kern wie Planeten umkreisen. Vielmehr

repräsentiert man sie als »Wolke«, in

der die Wahrscheinlichkeit hoch

ist, sie anzutreffen.

Zwischen den negativ gelade-

nen Elektronen und den positiv

geladenen Protonen im Kern

wirkt eine elektromagnetische

Anziehung.

QUANTENMODELL

KERN

PROTON

NEUTRON

Neutrale Atome

haben genau so

Wolken verschie-

dener Form reprä-

viele negative Elek-

tronen wie positive

Protonen, sodass

sich die Ladungen

ausgleichen.

sentieren Orbitale:

Gebiete mit hoher

Wahrscheinlich-

keit, das Elektron

anzutreffen.

DER AUFBAU DES ATOMS

11

ELEKTRONEN

ANZIEHUNG

ELEKTRONENWOLKE

TEILCHENZOO

Elektronen sind echte Elementarteil-

chen, die nicht weiter teilbar sind; sie

gehören zur Familie der Leptonen.

Dagegen bestehen Protonen und

Neutronen je aus drei noch kleineren

Teilchen, den Quarks (siehe S. 122).

Teilchen, die aus Quarks zusammen-

gesetzt sind, nennt man Hadronen.

Hadronen werden weiter unter-

gliedert in Baryonen (die aus drei

Quarks bestehen) und Mesonen

(die aus einem Quark-Antiquark-

Paar bestehen).

QUARKS

UP

DOWN

CHARM

STRANGE

TOP

BOTTOM

LEPTONEN

FERMIONEN

Die elementaren (unteilbaren)

Teilchen, aus denen die Materie

besteht, fallen in zwei Gruppen:

Leptonen und Quarks. Nur

wenige Arten jeder Familie

kommen im heutigen Univer-

sum häufig vor.

ELEKTRON

ELEKTRON-NEUTRINO

MYON

MYON-NEUTRINO

TAUON

TAU-NEUTRINO ODER

TAUON-NEUTRINO

Die subatomare Welt

Mithilfe von Teilchenbeschleunigern

(siehe S. 121), die Atome aufbrechen

und kurzlebige, instabile Teilchen er-

zeugen, haben Physiker das sogenannte

Standardmodell (siehe S. 124–125) der

Teilchenphysik entwickelt.

12 SUBATOMARE TEILCHEN

A T

F

E

O

R

M

M

A R

O

I

E

N

T

E

E I

N

E L

E

M

E

N

T

A

R

E

F E

M

R

O

I

N

N

E

S

U

B

L C

H

E

N

Diese zusammengesetzten

Teilchen bestehen aus Quarks.

HADRONEN

BARYONEN

PROTON

NEUTRON

LAMBDA-BARYON

ANDERE

MESONEN

PIONEN

KAONEN

ANDERE

PHOTON

GLUON

W₋-BOSON

W+-BOSON

Z-BOSON

HIGGS-BOSON

Baryonen sind selbst Fermionen,

Mesonen dagegen Bosonen

(siehe S. 68).

ZUSAMMENGESETZTE

TEILCHEN

Elementare Bosonen wirken

als »Austauschteilchen«, die

die Kräfte zwischen Materie-

teilchen vermitteln. Sie

verhalten sich grundlegend

anders als Fermionen.

SUBATOMARE TEILCHEN

13

B

O

S

O

E

N

E

L

N

R

BOSONEN

E

M

E

N

T

A

E

B

O

S

O

N

E

N

14 ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG

WAS IST LICHT?

Elektrisch geladene Teilchen üben Kräfte auf-

einander aus, indem sie elektromagnetische

Strahlung emittieren. Diese sich fortpflan-

zenden Wellen sind schwingende elektrische

und magnetische Felder, die aufeinander

senkrecht stehen, sodass Änderungen des

einen Felds Änderungen des anderen erzeu-

gen. Ihre Eigenschaften hängen von der

Schwingungsfrequenz ab. Daher unterteilt

man sie in mehrere Strahlungsarten wie

Röntgenstrahlen, Licht oder Radiowellen.

Man klassifiziert elektromagnetische Wellen

nach ihrer Frequenz (bzw. der damit ver-

knüpften Wellenlänge), von langwelligen nie-

derfrequenten Radiowellen über Mikrowellen,

Infrarot, sichtbarem Licht und Ultraviolett

(UV) bis hin zu den kurzwelligen hochfre-

quenten Röntgen- und Gammastrahlen.

Wellen als gekoppelte Felder

Da das elektrische Feld und das

magnetische Feld zeitlich variieren,

induzieren sie sich ständig gegen-

seitig, sodass sich die Schwingung

als stabile Welle über weite Strecken

ausbreiten kann.

Licht besteht aus gekoppelten

elektrischen und magnetischen

Feldern, die senkrecht zueinan-

der und zu ihrer Ausbreitungs-

richtung sind.

SICHTBARES

LICHT

RADIOWELLEN

MIKROWELLEN

ELEKTROMAGNETISCHES SPEKTRUM

INFRAROT

UV RÖNTGENSTRAHLEN GAMMASTRAHLEN

DAS SPEKTRUM

ELEKTRISCHES FELD

SCHWINGENDE

FELDER

MAGNETISCHES FELD

AUSBREITUNGS-

RICHTUNG

PLANCKSCHES WIRKUNGSQUANTUM 15

Die Energie eines einzel-

nen Photons ist umso

größer, je größer die

Die Frequenz des Photons ist die

Zahl der Wellenberge, die pro

QUANTEN-

KONSTANTE

Im Bereich einzelner Atome oder subato-

marer Teilchen emittiert und absorbiert

geladene Materie elektromagnetische

Strahlung als Photonen. Das sind die

»Quanten« des elektromagnetischen

Felds, also winzige »Pakete« von Energie,

die jeweils nur als Ganzes erzeugt oder

vernichtet werden. Die Energie eines ein-

zelnen Photons lässt sich einfach aus der

Frequenz des elektromagnetischen Felds