Als Teilchen bezeichnet man in der Umgangssprache und auch in den Naturwissenschaften sehr kleine, mit bloßem Auge gar nicht mehr wahrnehmbare Bestandteile von Stoffen und manchmal auch ihre elementaren Bausteine. In der klassischen Physik geht man davon aus, dass sich Teilchen immer in einem bestimmten Zustand befinden. Sie haben einen bestimmten Ort und eine bestimmte Geschwindigkeit – und alle Größen können sich fließend um unendlich kleine Schritte ändern.
Das ist in der Welt der Quanten anders. Ein faszinierendes Konzept der Quantenphysik ist die sogenannte Superposition. Aber was bedeutet das genau?
Superposition: In der Quantenphysik bezieht sich das Wort “Superposition” auf den Zustand, in dem sich ein Quantensystem gleichzeitig in mehreren möglichen Zuständen befinden kann.
Mehrere Zustände gleichzeitig: Das bedeutet, dass ein Teilchen, wie zum Beispiel ein Elektron, nicht nur einen festen Ort oder eine feste Geschwindigkeit hat, sondern gleichzeitig mehrere Orte und Geschwindigkeiten einnehmen kann. Es befindet sich in einer Überlagerung dieser Zustände.
Wahrscheinlichkeit und Messung: Diese Überlagerung bleibt bestehen, bis eine Messung vorgenommen wird. Durch die Messung wird das Teilchen gezwungen, einen bestimmten Zustand anzunehmen. Die Wahrscheinlichkeit, in welchem Zustand es nach der Messung gefunden wird, wird durch seine Superposition beschrieben.
Ein im Atom gebundenes Elektron kann sich in einer Superposition verschiedener Energiezustände befinden. Wenn es nicht gemessen wird, existiert es gleichzeitig in allen diesen Zuständen. Das bedeutet, dass ein derartiges Teilchen auch an zwei Orten gleichzeitig sein kann! In der Welt der Quanten gelten nämlich andere Regeln als in unserer gewohnten Welt – und diese brechen mit unseren Vorstellungen von Raum und Zeit!
Ein bekanntes Beispiel für Superposition ist das berühmte Gedankenexperiment Schrödingers Katze. Hierbei befindet sich eine Katze in einer Box gleichzeitig in einem lebenden und toten Zustand, bis die Box geöffnet und nachgeschaut wird. Dieses Gedankenexperiment verdeutlicht, wie seltsam und kontraintuitiv die Quantenwelt sein kann.
Die Forschung an Superposition und anderen Quantenphänomenen hat zur Entwicklung der Quantenmechanik geführt, einem Bereich der Physik, der diese seltsamen Verhaltensweisen beschreibt. Quantenmechanik wird genutzt, um viele moderne Technologien zu entwickeln, wie zum Beispiel Quantencomputer. Deshalb hat die Superposition eine riesige Bedeutung für das Verständnis des Universums, denn sie hilft uns, die grundlegenden Bausteine der Materie und Energie zu verstehen.
