M. Obersteiner, M. Kofler, B. Höbart  & M. Isak-Grabner


Quantenphysik


M. Obersteiner (Geschichte der Quantenphysik), M. Kofler (Wellen & Teilchen), B. Höbart (Das Standardmodell) & M. Isak-Grabner (Neutrinos & Das Amanda-Projekt)

Wissenschaftliche Beratung:  Dipl.-Ing. Sigfried Krainer (technische Physik), Andreas Starchel (Physik und Mathematik)



Abstract

Die Geschichte der Quantenphysik beginnt mit Max Planck und der Entdeckung, dass Licht in diskreten Energiepaketen, den sog. Wirkungsquanten h abgegeben wird. Damit tut sich das Problem des Welle – Teilchen – Dualismus auf.
                           Des Weiteren entdeckte Werner Heisenberg, dass man von Elementarteilchen nur entweder den Ort oder die Geschwindigkeit messen kann, niemals jedoch beides zugleich. Mathematisch wird diese Tatsache in der Heisenbergschen Unschärferelation beschrieben.
                           Albert Einstein erweiterte die Quantenphysik u. a. durch die Vereinigung von Elektrizität und Magnetismus – auch elektrischer Strom besteht aus Teilchen! Er beurteilte auch die Dissertation von Louis de Broglie. Dieser postulierte mit der Wellenmechanik die Hypothese, dass sich auch größere Teilchen wie eine Welle verhalten können.
                           Erwin Schrödinger gelang es, das seltsame Verhalten der Teilchen (oder Wellen?) mit Hilfe der Wellengleichung zu beschreiben.
 

Das sogenannte Doppelspaltexperiment ist ein sehr anschauliches Beispiel für das unerklärliche Verhalten und die seltsamen Eigenschaften der Teilchen. Wenn einzelne Photonen durch zwei verschiedene Öffnungen fliegen und auf eine Photoplatte treffen, so zeichnet sich auf dieser ein Interferenzmuster ab. Dies geschieht jedoch nur, wenn die Teilchen unbeobachtet bleiben. Stellt man hingegen zwei Detektoren auf, um den Weg der Photonen zu bestimmen, so verlieren sie diese Fähigkeit.
                           Die Verschränkung ist ein weiteres Teilchenphänomen. Wird eine Lichtquelle so präpariert, dass sie immer Teilchenpaare (= eineiige Zwillinge) aussendet, so korrelieren ihre gemessenen Eigenschaften zu 100%. Zurzeit finden intensive Bemühungen statt, diese Eigenschaft in der Datenübertragung zu nützen.
 

Im Standardmodell der Teilchenphysik werden Teilchen gemäß ihrer Eigenschaften in einem Periodensystem kategorisiert. Die Unterteilung erfolgt in Materieteilchen (= Teilchen erster Ordnung) und Wechselwirkungsteilchen (= Teilchen zweiter Ordnung). Anhand dieses Modells soll die Funktionsweise unseres Universums erklärt werden. Zusammengestellt wurde das Modell im laufe vieler Jahre u. a. von den oben erwähnten Wissenschaftlern. Dem bestehenden Konstrukt fehlen allerdings noch einige experimentelle Beweise: Sogenannte Gravitonen sollen die Schwerkraft erklären, sind jedoch noch nicht nachgewiesen worden. Darüber hinaus stehen noch viele weitere Fragen offen.
 

Die Neutrinos sind Teilchen deren Entstehung man bei kosmischen Ereignissen vermutet. So sollen diese Winzlinge den Forschern Auskunft geben, was sich in entfernten Gegenden der Galaxis abspielt: Eine Supernova sendet bei ihrer Explosion unzählige Neutrinos aus. Diese fliegen mit Lichtgeschwindigkeit durch das All, werden aber von nichts aufgehalten. Sie durchdringen auch dichteste Materie!
                          Das Amanda-Projekt ist eine Forschungsstation am Südpol, wo man mit Hilfe des Polareises Neutrinos nachweisen will. Das Polareis ist kilometerdick und ab einer bestimmten Tiefe glasklar. Mit Heißwasser werden 2000 m tiefe Löcher ins Eis gebohrt und Sonden versenkt, die jede kleinste Bewegung und jeden Lichtblitz im Eis registrieren. Neutrinos „rammen“ auf ihrem Weg die Wasserstoffatome im Eis, diese hinterlassen dann eine sichtbare Spur. Das Amanda-Projekt basiert auf einer internationalen Plattform und soll bis zum Jahr 2009 fertiggestellt sein.



Literatur

Monographien

Hey, T. & Walters, P. (1998). Das Quantenuniversum: Die Welt der Wellen und Teilchen. Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag
Penrose, R. (1991). Computerdenken: Des Kaisers neue Kleider. Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag
Zeilinger, A. (2003). Einsteins Schleier. München: C. H. Beck

Internet

www.zum.de/depot/

www.kworkquark.net

www.Physik-im-Unterricht.de

www.iap.uni-bonn.de/P2K/waves



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