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| Titel: | Quantenphysik | |
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Die Erkenntnisse von Werner
Heisenberg
Von solchen Überlegungen ausgehend
führte Werner Heisenberg den Beweis, daß sich die gleichzeitige
Messung sogenannter konjugierter Variablen, z.B. Ort und Impuls eines Elektrons,
nur mit begrenzter Genauigkeit durchführen läßt. Je genauer man
den Ort mißt, desto ungenauer wird die Messung des Impulses und umgekehrt.
Bei einer vollständig genauer Festlegung der einen Variablen bleibt die
andere also vollständig unbestimmt.
Heisenberg entdeckte dazu die
Formel:
Δx...Unschärfe
der Position
Δp...Unschärfe
des Impulses (Masse x Geschwindigkeit)
h... Planksche Konstante
(Wirkungsquantum)
Die folgende Grafik soll den Zusammenhang
verdeutlichen:
Genauigkeit der
Position Genauigkeit des Impulses
Genauigkeit des
Impulses Genauigkeit der Position
Hier wurde die
Position mit großer
Genauigkeit gemessen, das führt zu
einer Abnahme der Genauigkeit bei
der Messung des Impulses
Die naheliegende Vermutung, daß diese
Unbestimmtheit aufgrund der Ungenauigkeiten der verwendeten Meßapparatur
auftritt, ist jedoch falsch. Sie ist vielmehr eine grundlegende Konsequenz der
quantenmechanischen Gleichungen und tritt somit bei jedem Quantenexperiment auf.
Wie Heisenberg desweiteren erklärte, kann das Unbestimmtheitsprinzip
niemals unterlaufen werden, sobald und solange die Quantenmechanik
gilt.
Das Unbestimmtheitsprinzip (auch
Unschärferelation) ist also ein Phänomen der Quantenwelt.
Gründe für das Auftreten der
Unbestimmtheiten:
Jeder Meßvorgang erfordert entsprechende
Hilfsmittel, die im Einklang mit den Naturgesetzen in zweckmäßiger
Weise angeordnet sein müssen. So braucht man in der klassischen Physik
Fernrohre und angeschlossene Registriergeräte, um die Bewegung der Planeten
um die Sonne zu beobachten. Allein mit Meßgeräten läßt
sich aber der Beobachtungsvorgang nicht durchführen. Man braucht dazu vor
allem noch Licht, also Photonen, die als Träger der Information über
den Ort des Planeten fungieren. Um nämlich über den Bahnverlauf des
Planeten etwas zu erfahren, müssen die Meßgeräte die vom
Planeten in die Richtung der Erde reflektierten Photonen registrieren. Dabei
setzt man voraus, daß die Photonenprozesse keinen Einfluß auf die
Planetenbahn haben, der Planet darf also keinen übermäßigen
Rückstoß von reflektierten Photonen erhalten.
Innerhalb der klassisch-physikalisch
beschreibbaren Phänomene zeigt sich nun, daß dies eine
vernünftige Annahme ist. Die klassisch-physikalischen Vorgänge sind
unbeeinflußt von den Photonenprozessen, durch die die Messung vermittelt
ist, d. h. die Messung ändert den Zustand des Meßobjekts nicht.
Gehen wir zu den entsprechenden Vorgängen
in der Quantenphysik über, so besteht die vordergründige Frage darin,
ob die Photonen auch in diesem Fall dem Meßprozess als Träger der
Information zugeordnet werden könnten, in der Annahme, dass sie die
ablaufenden Prozesse nicht stören.
Um zu sehen, ob dieser Störeffekt
vorliegt, betrachten wir ein Beispiel aus dem atomaren Bereich, nämlich die
Wechselwirkung eines Protons mit einem Elektron. Im Bohrschen Atommodell dreht
sich das Elektron, um das Proton herum. Dabei kann das Elektron nur bestimmte,
Quantenzustände einnehmen. Im Grundzustand strahlt es nicht, gibt jedoch im
angeregten Zustand spontan ein Photon ab, um zu einem energetisch niederen
Zustand überzugehen. Man kann nun mit Hilfe eines Spektrometers die
Wellenlänge der emittierten Photonen bestimmen und dadurch auf die
Energiestufen der Elektronenzustände schließen.
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