Im vorangehenden Kapitel haben wir eine spezielle Form „nichtklassischen Lichts“ kennengelernt. Dort war es der Teilchencharakter des Lichts, der in einer klassischen Feldtheorie, wie sie die klassische Optik ja darstellt, nicht ädaquat beschrieben werden kann. Aber immerhin können wir uns ein anschauliches Bild von Lichtteilchen, sprich Photonen, machen, indem wir sie etwa mit Gewehrkugeln vergleichen. So bereitet es beispielsweise keine Schwierigkeiten, sich solche schnell fliegenden Teilchen in der Art einer Perlenkette „aufgereiht“ zu denken — jedes Maschinengewehr, das in eine bestimmte Richtung schießt, erzeugt eine solche Anordnung —, um ideales „antibunching“ vor Augen zu haben.
Im vorangehenden Kapitel haben wir eine spezielle Form „nichtklassischen Lichts“ kennengelernt. Dort war es der Teilchencharakter des Lichts, der in einer klassischen Feldtheorie, wie sie die klassische Optik ja darstellt, nicht ädaquat beschrieben werden kann. Aber immerhin können wir uns ein anschauliches Bild von Lichtteilchen, sprich Photonen, machen, indem wir sie etwa mit Gewehrkugeln vergleichen. So bereitet es beispielsweise keine Schwierigkeiten, sich solche schnell fliegenden Teilchen in der Art einer Perlenkette „aufgereiht“ zu denken — jedes Maschinengewehr, das in eine bestimmte Richtung schießt, erzeugt eine solche Anordnung —, um ideales „antibunching“ vor Augen zu haben.
Im vorangehenden Kapitel haben wir eine spezielle Form „nichtklassischen Lichts“ kennengelernt. Dort war es der Teilchencharakter des Lichts, der in einer klassischen Feldtheorie, wie sie die klassische Optik ja darstellt, nicht ädaquat beschrieben werden kann. Aber immerhin können wir uns ein anschauliches Bild von Lichtteilchen, sprich Photonen, machen, indem wir sie etwa mit Gewehrkugeln vergleichen. So bereitet es beispielsweise keine Schwierigkeiten, sich solche schnell fliegenden Teilchen in der Art einer Perlenkette „aufgereiht“ zu denken — jedes Maschinengewehr, das in eine bestimmte Richtung schießt, erzeugt eine solche Anordnung —, um ideales „antibunching“ vor Augen zu haben.
In den vorangegangenen Kapiteln haben wir fast alle wesentlichen Erscheinungen, die bei Atomen auftreten, bereits besprochen, aber nur für ein einziges Elektron. Es wird sich herausstellen, daß vieles bei Mehrelektronen-Atomen ganz ähnlich ist. Um ein System mit mehreren Elektronen behandeln zu können, müssen wir uns jedoch zuerst mit den eigentümlichen Konsequenzen befassen, die aus den quantenmechanischen Regeln für ein System von gleichen Teilchen folgen. Es ist ja nicht möglich, ein einzelnes Elektron oder ein anderes Teilchen in irgendeiner Weise zu markieren, so daß seine Identität zu einem späteren Zeitpunkt oder an einem anderen Ort festgestellt werden kann. Bei zwei Elektronen, die durch wohldefmierte Wellenpakete beschrieben werden und die weit voneinander entfernt sind, braucht man keine Verwechslung zu befürchten. Innerhalb der Ausdehnung des Wellenpakets, d. h. innerhalb eines Bereiches, in dem die Unschärferelation gilt, ist es jedoch prinzipiell nicht möglich, die Koordinaten eines Teilchens zu verfolgen. Sobald sich daher die beiden Elektronen gleichzeitig in ein Gebiet des Orts-und Impulsraums bewegen, das durch die Unschärferelation umrissen ist, gibt es prinzipiell keine Möglichkeit mehr, die Koordinaten der Teilchen auseinanderzuhalten. Bei allen quantenmechanischen Aussagen müssen wir dem Rechnung tragen. Nach der Grundregel (2.4) sollten wir erwarten, daß die Wahrscheinlichkeitsamplituden für die beiden Teilchen in irgendeiner Weise kohärent addiert werden müssen. Das hat äußerst fundamentale Konsequenzen und führt zu Gesetzmäßigkeiten, die den gesamten Aufbau der Materie beherrschen. Das wird in diesem Kapitel behandelt.
Wir haben im vorigen Kapitel gesehen, daß das klassische Teilchenbild wichtige, empirisch gesicherte Eigenschaften der Materie nicht wiedergibt, nämlich die Interferenzfähigkeit von Materiestrahlen und das Auftreten von ausgezeichneten, diskreten Energieniveaus bei oszillatorischen Bewegungen atomarer Teilchen. Andererseits enthält das soeben entwickelte Wellenoder Feldbild gerade diese Eigenschaften der Materie zwanglos, versagt aber angesichts der Existenz diskreter, stabiler kleinster Bausteine der materiellen Substanzen, der Elementarteilchen. Da die Materie selbst eine Einheit bildet, die Wellen- und Teilcheneigenschaften zugleich besitzt, muß man versuchen, eine entsprechende Theorie zu entwickeln, die beide Eigenschaften enthält. Eine solche Theorie ist die Quantenmechanik, an deren Aufbau wir jetzt gehen. Dabei können verschiedene Wege eingeschlagen werden: Man kann erstens die Wellentheorie in geeigneter Weise abändern, so daß sie die Mängel der klassischen Formulierung des vorigen Kapitels nicht mehr besitzt. Auf diese Weise gelangt man zur wellenmechanischen Form der Quantenmechanik. Oder man kann zweitens die klassische Teilchenmechanik entsprechend abändern, wodurch man die sog. Matrizenmechanik erhält. Es zeigte sich, daß die beiden so entwickelten Theorien, Wellen- und Matrizenmechanik, mathematisch äquivalent sind und als spezielle Ausdrucksformen einer allgemeineren Gesetzesgruppe, eben der Quantenmechanik, aufgefaßt werden können.
In den vorangegangenen Kapiteln haben wir fast alle wesentlichen Erscheinungen, die bei Atomen auftreten, bereits besprochen, aber nur für ein einziges Elektron. Es wird sich herausstellen, daß vieles bei Mehrelektronen-Atomen ganz ähnlich ist. Um ein System mit mehreren Elektronen behandeln zu können, müssen wir uns jedoch zuerst mit den eigentümlichen Konsequenzen befassen, die aus den quantenmechanischen Regeln für ein System von gleichen Teilchen folgen. Es ist ja nicht möglich, ein einzelnes Elektron oder ein anderes Teilchen in irgendeiner Weise zu markieren, so daß seine Identität zu einem späteren Zeitpunkt oder an einem anderen Ort festgestellt werden kann. Bei zwei Elektronen, die durch wohldefinierte Wellenpakete beschrieben werden und die weit voneinander entfernt sind, braucht man keine Verwechslung zu befürchten. Innerhalb der Ausdehnung des Wellenpakets, d. h. innerhalb eines Bereiches, in dem die Unschärfe-relation gilt, ist es jedoch prinzipiell nicht möglich, die Koordinaten eines Teilchens zu verfolgen. Sobald sich daher die beiden Elektronen gleichzeitig in ein Gebiet des Orts- und Impulsraums bewegen, das durch die Unschärferelation umrissen ist, gibt es prinzipiell keine Möglichkeit mehr, die Koordinaten der Teilchen auseinanderzuhalten. Bei allen quantenmechanischen Aussagen müssen wir dem Rechnung tragen. Nach der Grundregel (2.4) sollten wir erwarten, daß die Wahrscheinlichkeitsamplituden für die beiden Teilchen in irgendeiner Weise kohärent addiert werden müssen. Das hat äußerst fundamentale Konsequenzen und fuhrt zu Gesetzmäßigkeiten, die den gesamten Aufbau der Materie beherrschen. Das wird in diesem Kapitel behandelt.
Wir haben als eilige Wanderer die Gebiete der physikalischen Forschung durchwandert; und indem wir ganz darauf verzichtet haben, die schweren Waffen der Mathematik mitzunehmen, haben wir uns sozusagen auf die Rolle eines Kriegsberichterstatters im Gelände der physikalischen Forschungsarbeit beschränkt, der sich damit begnügen muß, einige Stimmungsbilder von dem dortigen Geschehen aufzufangen, ohne ernstlich auf die strategischen und technischen Probleme einzugehen. Wir sind an reichen Wissensgebieten von großer Mannigfaltigkeit und Schönheit ihres Inhalts schnell vorübergegangen, um nicht in der Betrachtung der Einzelheiten die großen Leitlinien der Gedankenentwicklung aus den Augen zu verlieren. Wenn wir jetzt dazu übergehen, das Gedankengebäude zu betrachten, in welchem das moderne physikalische Denken triumphiert über die scheinbar so hoffnungslosen Paradoxien und Schwierigkeiten, die uns in der quantenphysikalischen experimentellen Erfahrung entgegentraten, dann werden wir in noch höherem Grade Bescheidung üben müssen. Ohne das Schwergewicht der experimentellen quantitativen Beweise für den gedanklichen Inhalt und die mathematischen Gesetze der heutigen Quantentheorie hier erkennbar und fühlbar machen zu können, müssen wir es uns genug sein lassen, den philosophisch-erkenntnistheoretischen Charakter dieser Theorie uns andeutungsweise klarzumachen. Aber auch dafür muß der Verfasser, der dem Leser hierzu den Zugang erleichtern möchte, um ganz besondere Aufmerksamkeit bitten.
Nicht einmal Albert Einstein mochte die Welt für so verrückt halten. Für ihn war es Spuk, nicht mehr und nicht weniger, was sich die Quantenmechanik da ausgedacht hatte. »Verschränkte« Teilchen. Absolut getrennt und dennoch permanent verbunden. Egal, wie weit die Teilchen voneinander entfernt sind, wenn wir das eine messen, kennen wir den Wert des anderen. Verändern wir den Drehimpuls des einen oder dessen Polarisation, ändert sich die Eigenschaft des anderen Teilchens entsprechend. Und zwar augenblicklich und, wenn es sein muss, über tausende Kilometer Entfernung. Es fließt kein Strom, kein Licht, keine Information, nichts, was diese »spukhafte Fernwirkung« mit der klassischen Physik erklären oder messen könnte. Fest steht nur: Sie ist inzwischen unabweisbar. Die Verschränkung der Quantenzustände von Teilchen ist in den letzten Jahrzehnten zu einem Thema mit geradezu soziokultureller Sprengkraft geworden; denn in dem Phänomen steckt womöglich der Schlüssel für prinzipiell abhörsichere superschnelle Quantencomputer, die von nichts und niemandem geknackt werden können. Was aber, wenn es das Phänomen — oder ein prinzipiell ähnliches — nicht nur in der Quantenwelt gibt, sondern es ein Teil der Evolution ist und ins Leben eingreift?