Zusammenfassung In diesem kurzen Übersichtsartikel werden Auswirkungen der Quantenphysik auf Messunsicherheiten aufgezeigt und anhand konkreter Beispiele aus der elektrischen Quanten-Metrologie besprochen. Nicht-klassische quantenmechanische Eigenschaften wie Verschränkung oder gequetschtes Licht werden erklärt und dessen positive Auswirkungen auf Messunsicherheiten angeführt. Der Artikel schliesst mit einem Fazit, in dem auch neue Richtungen quantisierter Transporteffekte aufgezeigt werden.
Zusammenfassung In diesem kurzen Übersichtsartikel werden Auswirkungen der Quantenphysik auf Messunsicherheiten aufgezeigt und anhand konkreter Beispiele aus der elektrischen Quanten-Metrologie besprochen. Nicht-klassische quantenmechanische Eigenschaften wie Verschränkung oder gequetschtes Licht werden erklärt und dessen positive Auswirkungen auf Messunsicherheiten angeführt. Der Artikel schliesst mit einem Fazit, in dem auch neue Richtungen quantisierter Transporteffekte aufgezeigt werden.
Abschließend wollen wir die Schwierigkeiten, die die Einführung von Photonen in der elementaren Quantenphysik begleiten, kurz zusammenfassen. Photonen gehören weder in die nichtrelativistische Quantenmechanik noch in die klassische Elektrodynamik, somit auch nicht in die halbklassische Näherung. Sie gehören in die Quantenelektrodynamik. Die Grundsätze, mit denen man die Ungleichung für die Unbestimmtheiten des elektrischen und magnetischen Feldes ursprünglich einführte, sind nicht leicht übersehbar. Für die Feldquantisierung sprechen entweder sehr kleine Abweichungen von klassischen Voraussagen, die größtenteils auf die Nullpunktsenergie des Feldes zurückgeführt werden können, wie die Casimir-Kraft oder die Lamb-Verschiebung, oder Ergebnisse, die man klassisch überhaupt nicht voraussagen kann, bei sehr anspruchsvollen Experimenten, z.B. mit nichtklassischem Licht.
ZusammenfassungDas Mehrteilchenproblem der Atomphysik konnte, wie die meisten Probleme der Quantenphysik, erst auf Grund der modernen Quantenmechanik in Angriff genommen werden. Die ältere Bohrsche Quantentheorie hat bei der Behandlung des Mehrteilchenproblems vollkommen versagt, denn es zeigte sich, daß schon das einfachste Mehrteilchenproblem, das He-Problem, bei dem sich im Feld eines Kernes nur zwei Elektronen bewegen, zu unüberwindlichen Schwierigkeiten führte, und es ist auf Grund der Bohrschen Atomtheorie nicht gelungen, ein He-Modell zu konstruieren, das die Eigenschaften des He-Atoms zu erklären vermag. Durch die Entdeckung der Quantenmechanik, die man in erster Linie De Broglie, Heisenberg, Schrödinger und Dirac zu verdanken hat, änderte sich diese Lage mit einem Schlag. Durch die Quantenmechanik wurde für die gesamte Quantenphysik ein neues Fundament geschaffen, aus dem sich eine in sich geschlossene und widerspruchsfreie Theorie des Mehrteilchenproblems entwickeln konnte. Natürlich muß man gerade so wie beim berüchtigten astronomischen Drei- und Mehrkörperproblem darauf verzichten, das Problem in seinem vollen Umfang anzugreifen; es werden immer nur spezielle, in der Natur wichtige Teilprobleme zu lösen sein, und jedes dieser Teilprobleme erfordert wohlüberlegte und kunstvolle mathematische Approximationen.
Nachdem wir uns einige wesentliche Züge der klassischen Beschreibung des Lichts in Erinnerung gebracht haben, wollen wir die für unsere Thematik wichtigsten neuen Aspekte zur Sprache bringen, die sich aus der Quantisierung des elektromagnetischen Feldes ergeben. Es erscheint angebracht, zuvor einen fundamentalen Unterschied zwischen klassischer und quantenmechanischer Naturbeschreibung deutlich zu machen, der uns bei der späteren Diskussion von Experimenten immer wieder begegnen und Kopfschmerzen verursachen wird. Es handelt sich um die physikalische Bedeutung dessen, was man als Unschärfe bezeichnet.
Das Phänomen der Verschränkung hat eine grundlegende Bedeutung in der Quantenphysik. Mathematisch is Verschränkung definiert durch die Inseparabilität von Quantenzuständen, die verwendet werden um Quantenobjekte zu beschreiben. Zustände, die nicht separabel sind, werden verschränkt genannt. Diese können räumlich getrennte Objekte oder verschiedene Eigenschaften desselben Objektes sein, welche nur durch einen gemeinsamen mathematischen Zustandvektor beschrieben werden können. Für die einzelnen Objekte gibt es keine separable Beschreibung. Physikalisch äußert sich Verschränkung zum Beispiel in nichtlokalen Eigenschaften, die auch experimentell nachgewiesen werden können. Klassische, lokale Konzepte, wie z.B. die Bell-Ungleichungen, werden durch Voraussagen der Quantenmechanik und aufgrund von Verschränkung verletzt, was man auch experimentell nachweisen kann. Man kann zeigen, dass klassische Konzepte der Lokalität und Realität hinderlich sind für ein besseres Verständnis der Natur. Verschiedene Anwendungen der Verschränkungstheorie haben breite Forschungsfelder eröffnet, wie zum Beispiel Quanteninformations-Theorie und -Verarbeitung und Quantenkryptographie. Die (spezielle) Relativitätstheorie ist eine klassische Theorie, die die Transformationseigenschaften zwischen Inertialsystemen beschreibt, in welchen die Gesetze der Physik unverändert bleiben. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Verbindung von Verschränkung und Relativitätstheorie, beziehungsweise, bietet eine Einleitung in beide Felder und die neueren Forschungsgegenstände der relativistischen Verschränkungstheorie. Frühere Arbeiten auf diesem Gebiet haben gezeigt, dass Verschränkung im Allgemeinen nicht Beobachter-unabhängig oder Lorentz-invariant ist, wenn verschiedene Partitionen des Hilbertraumes betrachtet werden. Dies wurde anhand von zwei verschränkten Spin-1/2 oder zwei verschränkten Spin-1 Teilchen für verschiedene Quantenzustände gezeigt. Weiters präsentiert diese Diplomarbeit auch ein neues Beispiel für drei verschränkte Spin-1 Teilchen. Ihre relativistischen Transformationseigenschaften werden im letzten Kapitel untersucht. Es wird ebenfalls die Detektion von Vielkörperverschränkung für verschiedene inertiale Beobachter diskutiert.
DiDiese Arbeit stellt eine neue Theorie vor, die Quantenphysik, Relativitätstheorie und Kosmologie auf einem einzigen Grundprinzip aufbaut: Das Universum ist ein quanteninformationsverarbeitendes System, dessen Grundtakt die Planck-Frequenz ist. Diese Grundfrequenz ist nicht starr, sondern moduliert — ähnlich einer FM-Modulation in der Nachrichtentechnik. Diese Arbeit stellt eine neue Theorie vor, die Quantenphysik, Relativitätstheorie und Kosmologie auf einem einzigen Grundprinzip aufbaut: Das Universum ist ein quanteninformationsverarbeitendes System, dessen Grundtakt die Planck-Frequenz ist. Diese Grundfrequenz ist nicht starr, sondern moduliert — ähnlich einer FM-Modulation in der Nachrichtentechnik. Aus diesem Prinzip ergeben sich mehrere Schlussfolgerungen: Das scheinbare Interferenzmuster beim Doppelspaltexperiment ist keine echte Wellensuperposition, sondern ein Modulationsmuster des Grundtakts. Superposition und Quantenverschränkung im klassischen Sinne existieren nicht — die scheinbare Unbestimmtheit ist die Lücke zwischen zwei Planck-Takten. Die kosmologische Rotverschiebung erklärt sich durch denselben Modulationsfaktor, was die fließenden statt harten Spektralübergänge erklärt. Licht ist das primäre Informationsmedium des Universums. Die Theorie verbindet Einstein und Planck ohne Widerspruch und macht konkrete, überprüfbare Vorhersagen anhand bekannter Messdaten.
In diesem Band unseres Lehrgangs befassen wir uns mit der Physik der Atome, Atomkerne und Elementarteilchen. Dabei werden sich uns neue Aspekte in der Betrachtung der Natur erschließen: Wir verstehen darunter solche, die in den vorangegangenen Bänden nicht systematisch behandelt wurden. Diese Aspekte werden allgemein unter der Bezeichnung Quantenphänomene zusammengefaßt, weshalb auch dieser Band den Titel Quantenphysik hat. Die gegenwärtig als gültig angesehene grundlegende mathematische Theorie der Quantenphysik wird als Quantenmechanik bezeichnet.