Quantenmechanik

Die Quantenmechanik ist eine physikalische Theorie, mit der die Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten von Zuständen und Vorgängen der Materie beschrieben werden. Im Gegensatz zu den Theorien der klassischen Physik erlaubt sie als Grundlage der Quantenphysik die zutreffende Berechnung physikalischer Eigenschaften von Materie im Größenbereich der Atome und darunter. Die Quantenmechanik ist eine der Hauptsäulen der modernen Physik. Sie bildet die Grundlage zur Beschreibung von Phänomenen der Atomphysik, der Festkörperphysikund der Kern- und Elementarteilchenphysik, aber auch verwandter Wissenschaften wie der Quantenchemie.

Die Quantenmechanik sichtbar gemacht:Rastertunnelmikroskopaufnahme

von Kobaltatomen auf einer Kupferoberfläche. Das Messverfahren nutzt Effekte, die erst durch die Quantenmechanik erklärt werden können. Auch die Interpretation der beobachteten Strukturen beruht auf Konzepten der Quantenmechanik.

Grundlagen

Die Grundlagen der Quantenmechanik wurden zwischen 1925 und 1932 von Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, Pascual Jordan, Wolfgang Pauli, Paul Dirac, John von Neumann und weiteren Physikern erarbeitet, nachdem erst die klassische Physik und dann die älteren Quantentheorien bei der systematischen Beschreibung der Vorgänge in den Atomen versagt hatten. Die Quantenmechanik erhielt ihren Namen sowohl in Anlehnung an die klassische Mechanik als auch in Abgrenzung von ihr. Die Quantenmechanik bleibt wie die klassische Mechanik auf die Bewegung von massebehafteten Teilchen unter der Wirkung von Kräften beschränkt. Jedoch werden einige zentrale Begriffe der klassischen Mechanik, unter anderem „Ort“ und „Bahn“ eines Teilchens, in der Quantenmechanik durch grundlegend andere, der Quantenphysik besser angepasste Konzepte ersetzt. Die für die Quantenphysik auch typischen Entstehungs- und Vernichtungsprozesse werden von der Quantenmechanik noch nicht behandelt.

Die Quantenmechanik bezieht sich auf materielle Objekte und modelliert diese als einzelne Teilchen oder als Systeme, die aus einer bestimmten Anzahl von einzelnen Teilchen bestehen. Mit diesen Modellen können Elementarteilchen, Atome, Moleküle oder die makroskopische Materie detailliert beschrieben werden. Zur Berechnung deren möglicher Zustände mit ihren jeweiligen physikalischen Eigenschaften und Reaktionsweisen wird ein der Quantenmechanik eigener mathematischer Formalismus genutzt, der sich stark von der mathematischen Struktur der klassischen Mechanik unterscheidet.

Die Quantenmechanik unterscheidet sich grundlegend von der klassischen Physik. Sie verwendet Begriffe und Konzepte, die sich der Anschaulichkeit entziehen und auch einigen Prinzipien widersprechen, die in der klassischen Physik als fundamental und selbstverständlich angesehen werden. Durch Anwendung von Korrespondenzregeln und Konzepten der Dekohärenztheorie können viele Gesetzmäßigkeiten der klassischen Physik, insbesondere die gesamte klassische Mechanik, als Grenzfälle der Quantenmechanik beschrieben werden. Allerdings gibt es auch zahlreiche Quanteneffekte ohne klassischen Grenzfall. Zur Deutung der Theorie wurde eine Reihe verschiedener Interpretationen der Quantenmechanik entwickelt, die sich insbesondere in ihrer Konzeption des Messprozesses und in ihren metaphysischen Prämissen unterscheiden.

Auf der Quantenmechanik und ihren Begriffen bauen ab ca. 1930 die weiterführenden Quantenfeldtheorien auf, angefangen mit der Quantenelektrodynamik. Mit diesen können auch die Prozesse der Erzeugung und Vernichtung von Teilchen analysiert werden.

Genauere Informationen zum mathematischen Formalismus finden sich im Artikel Mathematische Struktur der Quantenmechanik.

Geschichte

→ Hauptartikel: Quantenphysik

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