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Quantum Quickie – Was sind Quanten?

Unsere Welt besteht aus vielen Teilchen. 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. Das Wort „Quant“ kommt vom Lateinischen „quantum“ und bedeutet „wie viel“ bzw. „wie groß“. Quanten beschreiben die kleinstmögliche Änderung eines Systems – sie sind sozusagen Hilfsteilchen! Was heißt das genau?

  • Quanten: In der Physik bezieht sich das Wort “Quant” auf die kleinste Einheit einer physikalischen Größe, die im Kontext eines bestimmten Systems existieren kann.
  • Kleinstmögliche Änderung eines Systems: Dies bedeutet, dass Änderungen in einem physikalischen System (z.B. Energie, Licht, Materie) nicht kontinuierlich, sondern in diskreten Schritten erfolgen. Diese kleinsten Schritte oder Einheiten werden als Quanten bezeichnet. Diskret heißt, dass nur bestimmte Werte angenommen werden können – es also keinen fließenden Übergang zwischen zwei Werten gibt.
  • Hilfsteilchen: In diesem Zusammenhang werden Quanten als “Hilfsteilchen” betrachtet, weil sie die Änderung der grundlegenden Bausteine beschreiben, die die Eigenschaften und das Verhalten bestimmen.

Ein im Atom gebundenes Elektron hat diskrete Zustände/Energieniveaus, sich um Vielfache des (Energie-)Quants unterscheiden. Dieses Elektron bewegt sich statt auf einer fest definierten Bahn, gleichzeitig auf unterschiedlichen Pfaden. 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 ein Quant ist ein Photon, das kleinste Teilchen des Lichts. Elektronen, die Bausteine von Atomen sind ebenfalls Quantenobjekte. Eine Erkenntnis der Quantenphysik ist, dass Elektronen oder Lichtquanten (Photonen) nicht Teilchen oder Welle sind, sondern sowohl Teilchen als auch Welle. Je nach Art der Beobachtung zeigen sie unterschiedliche Eigenschaften. Das nennt man Welle-Teilchen-Dualismus (dual = zweifach).

Die Forschung an Quanten 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 Computer und Smartphones. Deshalb haben Quanten eine riesige Bedeutung für das Verständnis des Universums, denn sie helfen uns, die grundlegenden Bausteine der Materie und Energie zu verstehen.

So stellt sich übrigens eine künstliche Intelligenz die Welt der Quanten vor:

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