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Was sind Quanten?





Quanten sind kleinste Portionen der uns umgebenden Wirklichkeit.

Mit diesen Schlagwörtern geben Sie sich aber zu Recht nicht zufrieden.

Also von vorn. Vor hundert Jahren glaubte man, dass alle Prozesse in der Physik kontinuierlich verlaufen, ohne Sprünge, ohne "kleinste" Einheiten. Dem ist aber nicht so. Niemand bezweifelt das heute mehr, daher wollen wir uns auch gar nicht mit der "historischen" Entwicklung des Quantenbegriffs aufhalten. Wer sich dafür interessiert, findet viele Infos unter den auf Quanten.de verfügbaren Links, oder auch auf unserem Newsletter zu "100 Jahr Quantentheorie".

Die Bezeichnung "Quanten" wird allgemein für Elementarteilchen (nicht mehr weiter teilbare Teilchen) benutzt, wenn ihr korpuskulares und nicht ihr wellenartiges Verhalten im Vordergrund steht. Die Erkenntnis, dass jede Materie (Elektronen, Protonen, Atome, Moleküle,...) nicht nur Teilcheneigenschaft besitzt, sondern auch als Welle ("Materiewelle", de Broglie-Gleichung) beschrieben werden kann, ist eine der wichtigsten Errungenschaften der modernen Physik. Oft bezieht sich der Begriff Quanten jedoch auch auf kleinste Energieeinheiten, die von einem System auf ein anderes übertragen werden. Zurecht, denn diese Energieeinheiten haben wiederum sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter.

Die Quantenmechanik hat gezeigt, dass nur Energieeinheiten (Quanten) einer bestimmten Größe von einem System zu einem anderen übertragen werden können. Die genaue Größe dieser Energieeinheiten hängt sowohl vom System ab, als auch vom Zustand, in dem sich das System befindet.

Betrachten wir ein einfaches Beispiel:

Eine alte Standuhr mit einem Pendel, die ja vielleicht noch bei Ihnen zu Hause zu finden ist. So eine Standuhr hat meist am Ende des Pendels eine kleine Schraube, mit der die Frequenz des Pendels genau reguliert werden kann um die Uhr zu "stellen". Können Sie jede mögliche Frequenz einstellen? Die überraschende Antwort ist: Nein!
Das Pendel einer Standuhr kann nur bestimmte Schwingungsfrequenzen annehmen. Aber nur theoretisch, denn in der Praxis können Sie jede beliebige Frequenz einstellen.

Theoretisch?? Praxis??

Da kann etwas nicht stimmen. Genau! Die durch die Quantenmechanik erlaubten Unterschiede in der Frequenz des Pendels einer Standuhr sind so gering, dass sie in unserer makroskopischen Welt nicht auffallen.

Makroskopisch??

Wir befinden uns in einer Welt, in der wir die Gesetze der Quantenmechanik nicht direkt wahrnehmen. Genauer gesagt, leben wir in einem "klassischen Grenzfall". Dadurch, dass alle von uns direkt wahrgenommenen Gegenstände im Vergleich zu Atomen riesengroß (10.000.000.000 mal größer) sind, erfahren wir die Quantenmechanik nicht unmittelbar. Alle quantenmechanischen Effekte mitteln sich raus. Im Fall der Standuhr entsprechen die Unterschiede in der Schwingungsfrequenz, also die Schwingungsquanten, nur 10-34 Joule, ein sehr sehr kleiner Energiebetrag, der nicht auffällt.

Ganz anders bei schwingenden Molekülen: Aufgrund der viel höheren Schwingungsfrequenz und der viel kleineren Masse eines Moleküls im Vergleich zu einer Standuhr kann ein Molekül ebenfalls nur bestimmte, aber messbar (!) unterschiedliche Schwingungsfrequenzen annehmen (Größenordnung 10-20 Joule).

Wir merken also nichts von Quanten, weil sich alle Effekte der Quantenwelt in unserer Wahrnehmung herausmitteln. Dabei sind Quanten aber allgegenwärtig. Jetzt, wo Sie diesen Text lesen, führen Lichtquanten (Photonen), die von Ihrem Monitor in Ihr Auge gelangen, dazu, dass Sie diesen Text wahrnehmen können. Ja mehr noch, in Ihrem Gehirn laufen gerade jetzt Quantenprozesse ab, mit denen Sie diesen Text verstehen (falls ich mich klar genug ausgedrückt habe, sonst schreiben sie mir :-).

Quanten sind also etwas "ganz normales" und allgegenwärtiges.

Ich hoffe, ein kleines Quant zum Verständnis des Begriffes Quanten beigetragen zu haben.

Günter Sturm

© 2001 ScienceUp Sturm und Bomfleur GbR, www.ScienceUp.de