Gute Blätter: “Das Quantum anders”

Die Quantenphysik ist eine der Revolutionen des 20. Jahrhundertse Jahrhundert, aber es scheint oft schwierig zu verstehen, ohne mathematischen Formalismus.

Julien Bobroff, Professor für Physik an der Universität von Paris-Saclay, ist auch ein Forscher für wissenschaftliche Popularisierung und innovative Pädagogik. In seinem Buch „La quantique autre“, veröffentlicht von Éditions Flammarion, schlägt er vor, etwas anders über Quantenphysik zu sprechen, mit weniger Mathematik und mehr lustigen Beispielen.


1801 schrieb Beethoven an einen lieben Freund:

„Seit fast zwei Jahren habe ich jede Gesellschaft gemieden, weil ich den Menschen nicht sagen kann:‚ Ich bin taub. ‘ Wenn ich einen anderen Job hätte, wäre es immer noch möglich; aber in meiner ist es eine schreckliche Situation… “

Doch 15 Jahre später komponierte der Musiker seine neunte Symphonie. Durch welches Wunder hatte er es geschafft, als er völlig taub war, eines seiner berühmtesten Werke zu schaffen? Tatsächlich hatte das deutsche Genie ein Geheimnis. Als er seine Stücke auf dem Klavier komponierte, hielt er einen kleinen Holzstab zwischen den Zähnen, der auf dem Instrument ruhte. Durch Drücken der Tasten der Tastatur breiteten sich die vom Klavierkörper ausgehenden Vibrationen entlang des Stiels auf seinen Kiefer und dann von seinem Kiefer auf die Schädelknochen aus, um schließlich sein noch ein wenig funktionierendes Innenohr zu erreichen. . Dann gelang es ihm, die Noten zu unterscheiden. Kurz gesagt, er konnte die Musik durch seine Zähne hören.

Eine Geschichte von Wellen

Um dies zu verstehen, kehren wir zum Flügel zurück, den Beethoven geliebt hat. Beachten Sie die Halbglockenform. Es ist nicht nur aus kosmetischen Gründen. Wenn dort eine Taste gedrückt wird, greift sie in einen kleinen Hammer, der auf eine Schnur trifft. Je länger diese Saite ist, desto leiser ist der Klang. Fahren wir fort: Eine Oktave tiefer und die Länge der Saite hat sich verdoppelt. Deshalb entspricht die lange Seite des Flügels den tiefen Noten, die kurze Seite den hohen Noten. In Wirklichkeit werden die Spannung und das Material der Saiten auch zwischen tiefen und hohen Noten geändert, so dass das Klavier nicht… 10 Meter lang ist!

Was würden wir sehen, wenn wir eine dieser Saiten mit einer Hochgeschwindigkeitskamera filmen würden? Nun, es scheint beim Schweben zu schwanken, ähnlich wie ein festes Springseil an beiden Enden, aber manchmal oben, manchmal unten in der Mitte. Es ist diese unaufhörliche Rundreise, die die Luft um sie herum vibriert und den Klang erzeugt, der unsere Ohren erreicht. Alle Saiteninstrumente wie Gitarre oder Geige arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Die vibrierende Welle bleibt immer an den beiden festen Enden hängen. Es ist gezwungen, zwischen diesen beiden Kanten zu wellen. Es weist dann immer die gleichen Profiltypen auf: eine Erhebung, zwei, drei, vier, auf jeden Fall immer eine ganze Anzahl von Erhebungen, die regelmäßig über die Länge des Seils verteilt sind. Der Mechanismus ist bei Blasinstrumenten nahezu identisch, wobei das Rohr, in das Sie blasen, die Welle zwingt. Indem wir die Löcher der Röhre mit seinen Fingern schließen, wirken wir auf die autorisierte Form und auf die erzeugte Note.

Musikinstrumente liefern uns nebenbei eine wichtige Lektion. Sobald sich eine Welle zwischen Wänden, in einer Röhre oder in einer Box entwickelt, findet eine natürliche Selektion statt. Die Welle nimmt nur bestimmte Formen an, die genau zur Größe der Box passen.

Abbildung entnommen aus Quantum anders.
Eve Barlier, CC BY-NC-ND

Die Pioniere des Quanten waren sehr früh von dieser Idee inspiriert, sie auf die Welt des Atoms anzuwenden. Vielleicht umso schneller, als sie größtenteils hervorragende Musiker waren, Albert Einstein und Louis de Broglie bemerkenswerte Geiger, Max Planck und Max Born aufgeklärte Pianisten. Victor Weisskopf, einer von Bohrs klügsten Schülern, würde sogar später sagen: „Zwei Dinge machen das Leben lebenswert: Mozart und Quantenmechanik. “”

Das Elektronengefängnis

Jedes Quantenobjekt, beispielsweise ein Elektron oder ein Atom, verhält sich wie eine Welle, bis es gemessen wird. Um das Prinzip des Klaviers zu reproduzieren, genügt es also, eines dieser Partikel in einer kleinen Schachtel oder zwischen zwei Wänden einzuklemmen, und voila! Für die Schallübertragung wird keine Luft benötigt, da das Teilchen selbst eine Welle ist.

Anstatt ausgefeilte Berechnungen durchzuführen, um vorherzusagen, wie sich eine solche Partikelbox verhalten würde, ist es besser, sie zu bauen und in Aktion zu beobachten. Dies hat das Team von Wilson Ho von der University of California im Jahr 2002 erreicht. Anschließend verwendeten sie ein Rastertunnelmikroskop, das ideale Werkzeug zum Entwerfen einer “Nanobox”, da es das Manipulieren und Bewegen ermöglicht. Atome eins nach dem anderen. Gehört, ich gebe dir das Rezept!

Abbildung entnommen aus Quantum anders.
Eve Barlier, CC BY-NC-ND

Zunächst verdampfen die Forscher etwas Gold über einer perfekt ebenen Nickeloberfläche. Die Goldatome lagern sich dort etwas willkürlich ab, wie Regentropfen. Dann bestimmen sie mithilfe eines Mikroskops genau, wo sich diese Atome befinden. Sie nähern sich dann der Spitze des Mikroskops einer von ihnen, die sie dank einer elektrischen Spannung anheben können. Sie bewegen es herum und legen es direkt neben ein anderes Goldatom. Die Operation wird mit einem dritten, einem vierten, einem fünften wiederholt. Sie richten also zwanzig Goldatome aus, die perfekt zusammenhängend sind. All dies muss bei extrem niedriger Temperatur erfolgen, um eine perfekte Stabilität der Baugruppe zu gewährleisten, und unter Ultrahochvakuum, um sich vor parasitärem Staub zu schützen. Die kleine Reihe von Atomen, die sie gerade gebaut haben, ist eine perfekte Quantenbox: zwanzig Atome lang, ein Atom breit. Aber wo sind die Wellen, die es bevölkern werden? Tatsächlich sind sie schon da! In jedem Metall setzt jedes Atom ein Elektron frei, das sich frei bewegen und Strom leiten kann. Auch hier und obwohl es das dünnste Metall der Welt ist, können sich jetzt rund zwanzig Elektronen frei bewegen. Dank Quanten verhält sich jeder von ihnen wie eine Welle. Es ist ihm jedoch unmöglich, aus der Kiste zu entkommen. Jedes Elektron ist wie eine kleine Welle, die im engsten Gefängnis der Welt eingeschlossen ist. Die Physiker messen dann einfach die Geschwindigkeit dieses gefangenen Elektrons und seiner Kongenere.

Das Ergebnis ? Er hätte Newton erstaunt: Natürlich folgen die gemessenen Geschwindigkeiten und Energien den Gesetzen der Mechanik, aber… Werte fehlen! Trotz der Tausenden von durchgeführten Messungen finden Physiker jedes Mal nur etwa zehn Werte, immer die gleichen. Um die Seltsamkeit des Phänomens zu verstehen, stellen Sie sich ein Radar auf der Autobahn vor, das einen Monat lang mehr als hunderttausend Fahrzeuge geblitzt hätte. Aber seine Messungen würden zeigen, dass die Autos alle immer entweder mit 27 km / h, 42 km / h oder 78 km / h fuhren, niemals mit einem anderen Wert! Um es gelinde auszudrücken, verwirrend … Lassen Sie uns betonen, dass wir uns Elektronen nicht wie Autos vorstellen sollten, sondern wie Wellen, die an einer Gitarrensaite hängen. Sie können nur bestimmte Formen und damit bestimmte Geschwindigkeiten annehmen. Es ist Quantifizierung.

Abbildung entnommen aus Quantum anders.
Eve Barlier, CC BY-NC-ND

Die Formen der Elektronen ähneln auch denen eines Saiteninstruments. Ihre Wellenfunktion weist entweder eine oder zwei oder drei oder drei Unebenheiten auf. Diese schwebt zwischen den Wänden und kann sich weder vorwärts noch rückwärts bewegen. Die Schrödinger-Gleichung zielt darauf ab, genau dieses Tempo zu berechnen, wenn wir die Größe der Box kennen. Kleiner Bonus, die Berechnung liefert auch die Energie des Partikels. Diese Energie wäre wie die mit dem Elektron verbundene Musiknote. Je mehr Unebenheiten, desto höher die Note, desto höher die Energie.

Unvorhersehbare Quantennoten

Die Arbeit wurde von Flammarion Editionen veröffentlicht.
Flammarion-Ausgaben

Ein in einer Box steckendes Quantenteilchen wird daher „quantisiert“. Es kann nur Energien mit präzisen und unterschiedlichen Werten annehmen, zum Beispiel 1, 4, 9… Als ob es nur bestimmte Noten spielen würde. Wenn wir versuchen, das Teilchen durch Anregung mit Licht oder Elektrizität von einer Energie zur anderen zu bringen, geschieht dies plötzlich wie das Klavier, das ohne einen möglichen Vermittler von einem E zu einem F wechselt. Physiker repräsentieren die Energien des Teilchens oft in Form einer Partitur. Die Quantisierung inszeniert daher ein diskontinuierliches Universum, das aus gut getrennten Ebenen besteht, mit der Möglichkeit, von einer zur anderen zu springen, aber absolut verboten, sich zwischen zwei Ebenen wiederzufinden.


Abbildungen und andere Informationen rund um das Buch finden Sie auf der Website des Autors.

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