Olympische Götter und Quantenphysik: Unterschied zwischen den Seiten

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[[Datei:Altar twelve gods Louvre Ma666.jpg|miniatur|''Zwölf-Götter-Altar'' im [[Wikipedia:Louvre|Louvre]]]]
Der Begriff '''Quantenphysik''' fasst alle [[Phänomen]]e und Effekte zusammen, die darauf beruhen, dass bestimmte [[physikalische Größe|Größen]] nicht jeden beliebigen Wert annehmen können, sondern nur festgelegte [[diskret]]e Werte (siehe [[Quantelung]]). Dazu gehören auch der [[Welle-Teilchen-Dualismus]], die [[Determinismus|Nichtdeterminiertheit]] von physikalischen Vorgängen und deren unvermeidliche Beeinflussung durch die Beobachtung. Quantenphysik umfasst alle [[Theorie]]n, [[Modell]]e und Konzepte, die auf die [[Quantenhypothese]] von [[Max Planck]] zurückgehen. Plancks Hypothese war um 1900 notwendig geworden, weil die [[klassische Physik]] z. B. bei der Beschreibung des [[Licht]]s oder des Aufbaus der [[Materie (Physik)|Materie]] an ihre Grenzen gestoßen war.
Als '''Olympische Götter''' (auch '''Olympier''', '''Olympioi''' werden in der [[Wikipedia:Griechische Mythologie|griechischen Mythologie]] die zwölf Götter des Olymps − {{ELSalt|Δωδεκάθεοι}} '''Dodekatheoi''' oder '''Zwölfgötter''') – oder in weiter gefasster Bedeutung sämtliche Hauptgötter bezeichnet.


Als Olympier im engen Sinne werden nur jene Götter bezeichnet, die auf dem [[Olymp]] residieren. Nicht zu ihnen zählen Hades und seine Gemahlin [[Persephone (Mythologie)|Persephone]], die in der Unterwelt herrschen, [[Hebe (Mythologie)|Hebe]], die als Mundschenk wirkt, und [[Eileithyia]], die Göttin der Geburt. Gleiches gilt für die beiden Gottheiten mit einer sterblichen Mutter, [[Herakles]] und [[Dionysos]], obwohl sie schließlich in den Olymp aufgenommen wurden. Olympier sind
Die Quantenphysik ist neben der [[Relativitätstheorie]] der zweite Grundpfeiler der modernen Physik. Besonders deutlich zeigen sich die Unterschiede zwischen der Quantenphysik und der klassischen Physik im mikroskopisch Kleinen (z. B. Aufbau der [[Atom]]e und [[Molekül]]e) oder in besonders „reinen“ Systemen (z. B. [[Supraleitung]] und [[Laser]]strahlung). Aber auch ganz alltägliche Dinge wie die chemischen oder physikalischen Eigenschaften verschiedener Stoffe ([[Farbe]], [[Ferromagnetismus]], [[elektrische Leitfähigkeit]] usw.) lassen sich nur quantenphysikalisch verstehen.
demgemäß [[Zeus]], [[Poseidon]], [[Hera]], [[Demeter]], [[Apollon]], [[Artemis]], [[Athene]], [[Ares]], [[Aphrodite]], [[Hermes]], [[Hephaistos]] und [[Hestia]].


Zu den Olympioi als Göttergeschlecht, das nach dem Sturz des [[Kronos]] und der [[Titanen]] herrschte, werden unabhängig vom Wohnsitz neben Zeus selbst alle seine Geschwister und Kinder gerechnet. Das sind:
Insbesondere gehören aber auch zwei Teilbereiche der [[Physik#Theoretische Physik|theoretischen Physik]] zur Quantenphysik: die [[Quantenmechanik]] und die [[Quantenfeldtheorie]]. Erstere beschreibt das Verhalten von [[Quantenobjekt]]en unter dem Einfluss von [[Feld (Physik)|Feld]]ern. Letztere behandelt zusätzlich die Felder als Quantenobjekte. Die Vorhersagen beider Theorien stimmen außerordentlich gut mit den Ergebnissen von Experimenten überein. Ihre einzige bekannte Schwäche besteht darin, dass sie sich nach dem gegenwärtigen Stand des Wissens nicht mit der – ebenfalls gut bestätigten – [[Allgemeine Relativitätstheorie|allgemeinen Relativitätstheorie]] vereinbaren lassen.
* Zeus
* die fünf Geschwister des Zeus (Hera, Hades, Hestia, Poseidon und Demeter)
* die zehn göttlichen Kinder des Zeus
** [[Ares]] , [[Hephaistos]], [[Hebe (Mythologie)|Hebe]], [[Eileithyia]] (mit Hera)
** [[Artemis]] und [[Apollon]] (mit [[Leto (Mythologie)|Leto]])
** [[Hermes]] (mit [[Maia (Tochter des Atlas)|Maia]])
** [[Athene]] (mit [[Metis (Mythologie)|Metis]])
** [[Persephone (Mythologie)|Persephone]] (mit [[Demeter]])
** [[Aphrodite]] (mit [[Dione (Mutter der Aphrodite)|Dione]])


* zwei Kinder, die Zeus mit sterblichen Frauen gezeugt hat und die später in den Olymp aufgenommen wurden:
== Theorien der Quantenphysik ==
** [[Herakles]] (mit [[Alkmene]])
=== Frühe Quantentheorien ===
** [[Dionysos]] (mit [[Semele (Mythologie)|Semele]])


Wie bei den Griechen gab es auch bei den Etruskern und Römern eine Zwölfzahl von Göttern, die mit den griechischen Göttern weitgehend identifiziert wurden. Siehe [[Wikipedia:Dei Consentes|Dei Consentes]].
Schon vor Entwicklung der Quantenmechanik gab es Entdeckungen, die zwar die Quantisierung bestimmter Größen [[Postulat|postulieren]] und manchmal auch mit der Welle-Teilchen-Dualität begründen, jedoch keine tieferen Einsichten in die zugrundeliegenden Mechanismen erlauben. Insbesondere lieferten diese Theorien keine Vorhersagen, die über ihren entsprechenden Gegenstand hinausgingen. Im [[Englische Sprache|englischen Sprachgebrauch]] werden diese Vorläufer der Quantenmechanik als ''old quantum theory'' bezeichnet.


Die wichtigsten Funktionen, Attribute und Verwandtschaftsbeziehungen der (im weiteren Sinne siebzehn) olympischen Götter sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
Im Jahr 1900 entwickelte Max Planck eine Formel zur Beschreibung der gemessenen [[Frequenz]]verteilung der von einem [[Schwarzkörper]] emittierten Strahlung, das [[Plancksches Strahlungsgesetz|Plancksche Strahlungsgesetz]], wobei er von der Annahme ausging, dass der schwarze Körper aus [[Oszillator]]en mit diskreten [[Energieniveau]]s besteht.<ref name="Planck1900">M. Planck: ''Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum'', Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft 2(1900) Nr. 17, S. 237–245, Berlin (vorgetragen am 14. Dezember 1900).</ref> Planck betrachtete diese Quantelung der [[Energie]] also als Eigenschaft der Materie und nicht des Lichtes selbst. Das Licht war nur insofern betroffen, als Licht in seinem Modell immer nur in bestimmten Portionen Energie mit Materie austauschen konnte, weil in der Materie nur bestimmte Energieniveaus möglich seien. Dabei fand er zwischen der Energieportion <math>\Delta E</math> und der Frequenz <math>\nu</math> des Lichts den Zusammenhang <math>\Delta E = h \nu</math>.


{| class="wikitable sortable" style="background-color:#f7f8ff;" align="center" cellpadding="6"
[[Albert Einstein]] erweiterte diese Konzepte und schlug im Jahr 1905 eine Quantisierung der Energie des Lichtes selbst vor, um den [[Photoelektrischer Effekt|photoelektrischen Effekt]] zu erklären.<ref name="Einstein1905">A. Einstein: ''Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt'', Annalen der Physik 17 (1905), S. 132–148. ([http://www.zbp.univie.ac.at/meldungen/2005-01-31/02/einstein1.pdf PDF]).</ref> Der photoelektrische Effekt besteht darin, dass Licht bestimmter Farben [[Elektron]]en aus [[Metalle|Metalloberflächen]] herauslösen kann. Dabei kann der Lichtstrahl an jedes einzelne Elektron nur einen immer gleichen Energiebetrag abgeben, der zudem proportional ist zur Frequenz, also einer Eigenschaft des Lichtes. Daraus schloss Einstein, dass die Energieniveaus nicht nur innerhalb der Materie gequantelt sind, sondern dass das Licht ebenfalls nur aus bestimmten Energieportionen besteht, den ''[[Photon|Lichtquanten]]''. Dieses Konzept ist mit einer reinen Wellennatur des Lichtes nicht vereinbar. Es musste also angenommen werden, dass das Licht weder eine klassische Welle noch ein klassischer Teilchenstrom ist, sondern sich mal so, mal so verhält.
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! width="80"|Griechisch ''(translit.)''!!width="80"|Römischer Name!!Verwandtschaftsbeziehungen zu anderen Göttern, Funktion, Besonderheiten!!width="150"| Attribute !!width="50" class="unsortable"|Bild
1913 verwendete [[Niels Bohr]] das Konzept gequantelter Energieniveaus, um die [[Spektrallinie]]n des [[Wasserstoffatom]]s zu erklären. Das nach ihm benannte [[Bohrsches Atommodell|bohrsche Atommodell]] geht davon aus, dass das Elektron im Wasserstoffatom mit einer bestimmten Energie um den [[Atomkern|Kern]] kreist. Das Elektron wird hierbei noch als klassisches [[Teilchen]] betrachtet, mit der einzigen Einschränkung, dass es nur bestimmte Energien haben kann und, wenn es mit einer solchen Energie um den Kern kreist, entgegen der [[Elektrodynamik|klassischen Elektrodynamik]] keine elektromagnetische Welle erzeugt, also auch keine Energie abstrahlt. Eine experimentelle Bestätigung der von Bohr verwendeten Annahmen gelang im [[Franck-Hertz-Versuch]] 1914. Das bohrsche Atommodell wurde noch um einige Konzepte wie elliptische Bahnen des Elektrons erweitert, insbesondere von [[Arnold Sommerfeld]], um auch die Spektren anderer Atome erklären zu können. Dieses Ziel wurde jedoch nicht zufriedenstellend erreicht. Außerdem konnte Bohr keine Begründung für seine [[Postulat]]e geben außer der, dass das [[Rydberg-Formel|Wasserstoffspektrum]] damit erklärbar war; zu tieferer Einsicht führte sein Modell nicht.
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| [[Zeus]] <br /> Ζεύς <br />''(Zeus)'' || [[Jupiter (Mythologie)|Jupiter]] || Göttervater, Herrscher über Himmel, [[Blitz]] und [[Donner]]; jüngster Sohn des [[Kronos]] und der [[Rhea (Mythologie)|Rhea]]; jüngerer Bruder von Poseidon, Hades, Hera und Demeter; Vater von Athene, Apollon, Artemis, Ares, Aphrodite, Hermes, Dionysos, Herakles; sein Planet ist der [[Jupiter (Planet)|Jupiter]] || Adler, Blitzbündel, Zepter || [[Datei:Zeus.png|80x180px]]
Im Jahr 1924 veröffentlichte [[Louis-Victor de Broglie|Louis de Broglie]] seine Theorie der [[Materiewelle]]n, wonach jegliche Materie einen Wellencharakter aufweisen kann und umgekehrt Wellen auch einen Teilchencharakter aufweisen können.<ref name="deBroglie1924">L. de Broglie: ''Recherches sur la théorie des Quanta'', Doktorarbeit. Engl. Übersetzung (übers. A.F. Kracklauer): Ann. de Phys., 10e serie, t. III, (1925).</ref> Mit Hilfe seiner Theorie konnten der photoelektrische Effekt und das bohrsche Atommodell auf einen gemeinsamen Ursprung zurückgeführt werden. Die Umlaufbahnen des Elektrons um den Atomkern wurden als [[Stehende Welle|stehende Materiewellen]] aufgefasst. Die berechnete Wellenlänge des Elektrons und die Längen der Umlaufbahnen nach dem bohrschen Modell stimmten gut mit diesem Konzept überein. Eine Erklärung der anderen Atomspektren war jedoch weiterhin nicht möglich.
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| [[Poseidon]] <br /> {{Polytonisch|Ποσειδῶν}} ''(Poseidōn)'' || [[Neptunus|Neptun]] || Gott des Meeres, der Erdbeben und Pferde; älterer Bruder des [[Zeus]]; Sohn des Kronos und der Rhea; zeugte mit der sterblichen [[Kleito]] fünf Zwillingsbrüder; verheiratet mit [[Amphitrite (Mythologie)|Amphitrite]]; Vater des [[Triton (Mythologie)|Triton]] || Dreizack, Streitwagen, Delfin || [[Datei:Poseidon.png|80x180px]]
De Broglies Theorie wurde drei Jahre später in zwei unabhängigen Experimenten bestätigt, welche die [[Beugung (Physik)|Beugung]] von Elektronen nachwiesen. Der [[Vereinigtes Königreich|britische]] Physiker [[George Paget Thomson]] leitete einen [[Elektronenstrahl]] durch einen dünnen Metallfilm und beobachtete die von de Broglie vorhergesagten [[Interferenz (Physik)|Interferenzmuster]].<ref name="Thomson1927">G. P. Thomson: ''The Diffraction of Cathode Rays by Thin Films of Platinum.'' Nature 120 (1927), 802.</ref> Bereits 1921 hatte ein ähnliches Experiment von [[Clinton Davisson]] und [[Charles Kunsman]] in den [[Bell Labs]] bei einem an [[Nickel]] reflektierten Elektronenstrahl Beugungsmuster gezeigt, die aber noch nicht als Interferenz gedeutet wurden.<ref>C. Davisson, C.H. Kunsman: ''THE SCATTERING OF ELECTRONS BY NICKEL'' In: ''Science'' Bd. 54 S. 1104</ref> Davisson und sein Assistent [[Lester Germer]] wiederholten das Experiment 1927 und erklärten die beobachteten klaren Beugungsmuster mit Hilfe der Wellentheorie de Broglies.<ref name="Davisson_Germer1927">C. Davisson and L. H. Germer: ''Diffraction of Electrons by a Crystal of Nickel'' In: ''Phys. Rev.''. 30, Nr. 6, 1927, {{DOI|10.1103/PhysRev.30.705}}.</ref>
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| [[Hera]] <br /> {{Polytonisch|Ἥρα}} <br />''(Hērā)'' || [[Juno (Mythologie)|Juno]] || [[Familie]]n-Göttin, zuständig für [[Hochzeitsfeier|Hochzeit]], [[Mutterschaft]] und [[Geburt]]; Helferin in den Nöten der Entbindung; eifersüchtige Gattin und Schwester des Zeus; Mutter von Ares, Hephaistos, Hebe und Eileithyia || Pfau, Kuckuck, königliche Kopfbinde, Granatapfel, Getreide || [[Datei:Hera.png|80x180px]]
=== Quantenmechanik ===
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{{Hauptartikel|Quantenmechanik}}
| [[Demeter]] <br /> {{Polytonisch|Δημήτηρ}} ''(Dēmētēr)'' || [[Ceres (Mythologie)|Ceres]] || Erdgöttin, Schwester des Zeus, [[Muttergöttin]], Fruchtbarkeitsgöttin; dreifaltige Göttin in den Manifestationen Jungfrau, Mutter und Alte Frau; Schwester und Geliebte des Zeus; Mutter der Persephone und des [[Plutos (Mythologie)|Plutos]]; in der Kunst eng verbunden mit der Tochter und deren Gatten Hades;  || goldener Ährenkranz, Fackel, Korb mit Pfirsichen oder Blumen, [[Labrys]] (Doppelaxt) || [[Datei:Demeter.png|80x180px]]
 
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Die moderne Quantenmechanik fand ihren Beginn im Jahr 1925 mit der Formulierung der [[Matrizenmechanik]] durch [[Werner Heisenberg]], [[Max Born]] und [[Pascual Jordan]].<ref name="Heisenberg1925a">W. Heisenberg: ''Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen'' Zeitschrift für Physik 33 (1925), S. 879–893.</ref><ref name="Born_Jordan1926">M. Born, P. Jordan: ''Zur Quantenmechanik'', Zeitschrift für Physik 34 (1925), 858</ref><ref name="Born_Heisenberg_Jordan_1926">M. Born, W. Heisenberg, P. Jordan: ''Zur Quantenmechanik II'', Zeitschrift für Physik 35 (1926), 557.</ref> Wenige Monate später entwickelte [[Erwin Schrödinger]] über einen völlig anderen Ansatz – ausgehend von De Broglies Theorie der Materiewellen – die [[Schrödingergleichung|Wellenmechanik]] und die Schrödingergleichung.<ref name="Schroedinger1926">E. Schrödinger: ''Quantisierung als Eigenwertproblem I'', Annalen der Physik 79 (1926), 361–376. E. Schrödinger: ''Quantisierung als Eigenwertproblem II'', Annalen der Physik 79 (1926), 489–527. E. Schrödinger: ''Quantisierung als Eigenwertproblem III'', Annalen der Physik 80 (1926), 734–756. E. Schrödinger: ''Quantisierung als Eigenwertproblem IV'', Annalen der Physik 81 (1926), 109–139.</ref> Kurz darauf konnte Schrödinger nachweisen, dass sein Ansatz der Matrizenmechanik äquivalent ist.<ref name="Schroedinger1926a">E. Schrödinger: ''Über das Verhältnis der Heisenberg-Born-Jordanschen Quantenmechanik zu der meinen'', Annalen der Physik 79 (1926), 734–756.</ref>
| [[Apollon]] <br /> {{Polytonisch|Ἀπόλλων}} ''(Apollōn)'' || [[Apollon|Apollo]] || Gott der [[Poesie]], des Lichtes, der [[Pest]] und der [[Prophetie]]; [[Musen]]führer (Beiname: Musagetes); gleichgesetzt mit dem Sonnengott Phoibos; Sohn des Zeus und der Titanin [[Leto (Mythologie)|Leto]]; Vater des [[Asklepios]]; Zwillingsbruder der Artemis; sein Himmelskörper ist die [[Sonne]] || Kithara (Saiteninstrument), Pfeil und Bogen || [[Datei:Apollon.png|80x180px]]
 
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Die neuen Ansätze von Schrödinger und Heisenberg enthalten eine neue Sicht auf beobachtbare physikalische Größen, sogenannte ''[[Observable]]''. Diese waren zuvor als Größen betrachtet worden, die in jedem Zustand eines Systems bestimmte Zahlenwerte besitzen, wie zum Beispiel (für ein Teilchen in einer [[Dimension]]) der jeweilige Ort oder [[Impuls]]. Dagegen versuchten Heisenberg und Schrödinger den Observablenbegriff derart zu erweitern, dass er mit der [[Doppelspaltexperiment|Beugung am Doppelspalt]] verträglich würde. Wird dabei nämlich für jedes Teilchen durch eine zusätzliche [[Messung]] festgestellt, durch welchen der Spalte es fliegt, erhält man kein Doppelspaltinterferenzmuster, sondern zwei Einzelspaltmuster. Am Ende dieser Messung ist also der Zustand des beobachteten Teilchens ein anderer als vorher. Observable werden daher formal als Funktionen aufgefasst, die einen Zustand in einen anderen Zustand überführen. Des Weiteren muss jedes Teilchen „irgendwie“ durch beide Spalte fliegen, damit man überhaupt ein Interferenzmuster erklären kann. Dem Zustand jedes einzelnen (!) Teilchens während des Fluges muss man also beide Möglichkeiten zuschreiben, wobei sich bei Beobachtung genau eine realisiert. Das hatte zur Folge, dass der Zustand eines Teilchens nicht mehr durch eindeutige Größenwerte wie Ort und Impuls bestimmt sein kann, sondern von den Observablen und ihren Größenwerten getrennt werden muss. Bei einem Messprozess wird der Zustand in einen der sogenannten Eigenzustände der Observablen umgewandelt, dem nun ein eindeutiger reeller [[Messwert]] zugeordnet ist. Dies Konzept des [[Zustand (Quantenmechanik)|quantenmechanischen Zustandes]] ist also mit dem Konzept der (mathematisch genauen) [[Trajektorie (Physik)|Bahnkurve]] in der älteren Quantentheorie nicht vereinbar. Mathematisch wird ein quantenmechanischer Zustand durch eine [[Wellenfunktion]] oder (weniger anschaulich) durch einen [[Zustandsvektor]] wiedergegeben.
| [[Artemis]] <br /> {{Polytonisch|Ἄρτεμις}} ''(Artemis)'' || [[Diana]] || Jungfräuliche Göttin der [[Jagd]] und des [[Mond]]es (zusammen mit [[Selene]]); Tochter des Zeus und der Leto; Zwillingsschwester des Apollon; keinem Manne untertan, sondern frei und kinderlos; ihr Himmelskörper ist der [[Mond]] || Pfeil und silberner Bogen, Köcher, Wermutkraut, Hirschkuh, Mondsichel || [[Datei:Artemis.png|80x180px]]
 
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Eine Folge dieses neuartigen Observablenbegriffs ist, dass es formal nicht möglich ist, zwei beliebige Observable ohne Angabe einer Reihenfolge auf einen Zustand wirken zu lassen. Wenn es bei zwei Messprozessen auf ihre Reihenfolge nicht ankommt (z.&nbsp;B. Messung von x- und y-Koordinate), heißen sie vertauschbar. Andernfalls (z.&nbsp;B. Messung von x-Koordinate und x-Impuls) muss ihre Reihenfolge festgelegt werden, und in genau diesen Fällen verändert die zweite Messung den durch die erste Messung erzeugten Zustand ein weiteres Mal. Daher würde auch eine anschließende Wiederholung der ersten Messung nun ein anderes Ergebnis haben. Es ist also möglich, dass zwei Observable, wenn sie in unterschiedlicher Reihenfolge auf einen Zustand wirken, unterschiedliche Endzustände liefern können. Wenn bei zwei Observablen die Reihenfolge der Messung entscheidend ist, weil die Endzustände sonst verschieden sind, führt dies zu einer sogenannten [[Heisenbergsche Unschärferelation|Unschärferelation]]. Für Ort und Impuls wurde diese erstmals von Heisenberg im Jahr 1927 beschrieben. Diese Relationen versuchen, die [[Streuung (Statistik)|Streuung]] der Messwerte bei Vertauschen der Observablen, und damit die Unterschiedlichkeit der Endzustände quantitativ zu beschreiben.
| [[Athene]] <br /> {{Polytonisch|Ἀθηνᾶ}} ''(Athēnā)'' || [[Minerva]] || Dem Haupte des Zeus entsprungene jungfräuliche Göttin der Weisheit, Schutzherrin der Helden, der Städte, des Ackerbaus, der Künste und Wissenschaften, des weiblichen Handwerks, des Krieges und des Friedens; Stadtgöttin Athens || Eule, Ölbaum, Helm, Speer, Schild (mit Gorgoneion), Aegis (mit [[Gorgoneion]]), Schlange || [[Datei:Athena.png|80x180px]]
 
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1927 wurde die [[Kopenhagener Deutung|Kopenhagener Interpretation]] von Bohr und Heisenberg formuliert, die auch als orthodoxe Interpretation der Quantenmechanik bezeichnet wird. Sie stützte sich auf den Vorschlag von Max Born, das [[Betragsquadrat]] der Wellenfunktion, die den Zustand eines Systems beschreibt, als [[Bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation|Wahrscheinlichkeitsdichte]] aufzufassen. Die Kopenhagener Deutung ist bis heute die Interpretation der Quantenmechanik, die von den meisten Physikern vertreten wird, obwohl es inzwischen zahlreiche andere Interpretationen gibt.
| [[Ares]] <br /> ῎{{Polytonisch|Αρης}} <br />''(Arēs)'' || [[Mars (Mythologie)|Mars]] || Gott des Krieges und der Schlachten; Sohn des Zeus und der Hera; Vater von Deimos und Phobos; ehebrecherische Liebesbeziehung zu Aphrodite; sein Himmelskörper ist der Planet [[Mars (Planet)|Mars]] || Fackel, Hund und Geier, Speer, Schild, Helm || [[Datei:Ares.png|80x180px]]
 
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In den Jahren ab ca. 1927 vereinigte [[Paul Dirac]] die Quantenmechanik mit der [[Spezielle Relativitätstheorie|speziellen Relativitätstheorie]]. Er führte auch erstmals die Verwendung der [[Operator (Mathematik)|Operator]]-Theorie inklusive der [[Bra-Ket]]-Notation ein und beschrieb diesen mathematischen Kalkül 1930 in einer [[Monografie]].<ref name="Dirac1930">P. A. M. Dirac: ''„Principles of Quantum Mechanics“'', Oxford University Press, 1958, 4th. ed., ISBN 0-19-851208-2.</ref>
| [[Aphrodite]] <br /> {{Polytonisch|Ἀφροδίτη}} ''(Aphroditē)'' || [[Venus (Mythologie)|Venus]] || Göttin der Liebe und Schönheit; geboren aus dem Schaum, den Blut und Samen aus dem Glied des [[Uranos]] bildete, nachdem Kronos es seinem Vater abgeschnitten und ins Meer geworfen hatte; Gemahlin des Hephaistos; ihr Planet ist die [[Venus (Planet)|Venus]]|| Magischer Gürtel, Schwan, Gans, Taube, Rose, Muschel, Gürtel, Spiegel, Myrte, Apfel || [[Datei:Aphrodite.png|80x180px]]
Zur gleichen Zeit formulierte [[John von Neumann]] die strenge mathematische Basis für die Quantenmechanik, wie z.&nbsp;B. die Theorie [[Linearer Operator|linearer Operatoren]] auf [[Hilbertraum|Hilberträumen]], die er 1932 in einer Monografie beschrieb.<ref name="vonNeumann1955">John von Neumann: ''„Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik“'', Springer Berlin, 1996, 2. Auflage. Engl. (autorisierte) Ausg. (übers. R. T Beyer): ''„Mathematical Foundations of Quantum Mechanics“'', Princeton Univ. Press, 1955 (dort p. 28 sqq.)</ref>
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| [[Hermes]] <br /> {{Polytonisch|Ἑρμῆς}} ''(Hermēs)'' || [[Mercurius]] || Gott der Diebe, des Handels und der Reisenden; Götterbote; Sohn des Zeus und der Nymphe [[Maia (Tochter des Atlas)|Maia]]; Vater des [[Pan (Mythologie)|Pan]], des [[Daphnis (Sohn des Hermes)|Daphnis]], des [[Hermaphroditos]], des [[Abderos]] und des [[Autolykos (Mythologie)|Autolykos]]; sein Planet ist der [[Merkur (Planet)|Merkur]] || [[Flügelkappe]], Flügelschuhe, [[Hermesstab]], Reisehut || [[Datei:Hermes.png|80x180px]]
Die Verwendung des Ausdrucks ''Quantenphysik'' ist erstmals 1929 in Max Plancks Vortrag ''Das Weltbild der neuen Physik'' dokumentiert.<ref name="Planck1929">M. Planck, ''Das Weltbild der neuen Physik'', Monatshefte für Mathematik, Springer, Wien, Bd. 36 (1929), S. 387–410. [http://books.google.de/books?id=ZylWAAAAMAAJ&dq=Das+Weltbild+der+neuen+Physik&q=Quantenphysik#search_anchor Auszug google books].</ref> Die in dieser Aufbauphase formulierten Ergebnisse haben bis heute Bestand und werden allgemein zur Beschreibung quantenmechanischer Aufgabenstellungen verwendet.
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| [[Hephaistos]] <br /> {{Polytonisch|Ἥφαιστος}} ''(Hēphaistos)'' || [[Vulcanus]] || Gott der [[Vulkane]], des Feuers, der [[Schmiede]]kunst und der Architektur (baute den Göttern ihre Paläste und gab den Menschen die Hausbaukunst); schmiedete mit den Zyklopen für Zeus die [[Donnerkeil (Mythologie)|Donnerkeile]]; Sohn von Zeus und Hera; von Zeus vom Olymp geschleudert und seitdem lahm; verheiratet mit Aphrodite, die ihn mit Ares betrog || Schmiedehammer bzw. -zange, Beil, Pilos (Handwerkerkappe) || [[Datei:Hephaistos.png|80x180px]]
=== Quantenfeldtheorie ===
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| [[Dionysos]] <br /> {{Polytonisch|Διόνυσος}} ''(Dionysos)'' || [[Bacchus]] || Gott des Weines und der Ekstase; jüngster der großen Götter; Sohn des Zeus, den er mit Demeter, Io, Dione, Persephone, Lethe oder Semele gezeugt hat; später in den Kreis der Olympier aufgenommen || Weinranken und Weintrauben, Reh- oder Pantherfell || [[Datei:Dionysos.png|80x180px]]
{{Hauptartikel|Quantenfeldtheorie}}
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| [[Hestia]] <br /> {{Polytonisch|Ἑστία}} ''(Hestiā)'' || [[Vesta]] || Jungfräuliche Göttin des Herdfeuers und der Familieneintracht; älteste Schwester des Zeus || [[Palladion]] || [[Datei:Hestia drawing.png|80x180px]]
Ab 1927 wurde versucht, die Quantenmechanik nicht nur auf [[Teilchen|Partikel]], sondern auch auf [[Feld (Physik)|Felder]] anzuwenden, woraus die Quantenfeldtheorien entstanden. Die ersten Ergebnisse auf diesem Gebiet wurden durch Paul Dirac, [[Wolfgang Pauli]], [[Victor Weisskopf]] und [[Pascual Jordan]] erzielt. Um Wellen, Teilchen und Felder einheitlich beschreiben zu können, werden sie als Quantenfelder, ähnliche Objekte wie Observable, aufgefasst. Sie müssen jedoch nicht die Eigenschaft der [[Reelle Zahl|Reellwertigkeit]] erfüllen. Das bedeutet, dass die Quantenfelder nicht unbedingt messbare Größen darstellen. Es ergab sich jedoch das Problem, dass die Berechnung komplizierter [[Streuung (Physik)|Streuprozesse]] von Quantenfeldern unendliche Ergebnisse lieferte. Die alleinige Berechnung der einfachen Prozesse liefert jedoch oft Ergebnisse, die stark von den Messwerten abwichen.
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| [[Hades]] <br /> {{Polytonisch|ᾍδης}} (Hāides) || [[Pluton|Pluto]] || Bruder des Zeus; bemächtigte sich durch Raub der Persephone; Herrscher der Unterwelt; seine Begleiter sind [[Thanatos (Mythologie)|Thanatos]] „der Tod“ und [[Hypnos (Mythologie)|Hypnos]] „der Schlaf“ || Fruchtmaß, Füllhorn, Stab; mehrköpfiger [[Kerberos (Mythologie)|Kerberos]] || [[Datei:Hades.png|80x180px]]
Erst Ende der 1940er Jahre konnte das Problem der Unendlichkeiten mit der [[Renormierung]] umgangen werden. Dies ermöglichte die Formulierung der [[Quantenelektrodynamik]] durch [[Richard Feynman]], [[Freeman Dyson]], [[Julian Schwinger]] und [[Shin’ichirō Tomonaga]]. Die Quantenelektrodynamik beschreibt [[Elektron]]en, [[Positron]]en und das [[Elektromagnetisches Feld|elektromagnetische Feld]] erstmals in einer durchgängigen Weise, und die von ihr vorhergesagten Messergebnisse konnten sehr genau bestätigt werden.<ref>Richard Feynman: ''QED. Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie'' 1987, ISBN 3-492-21562-9&nbsp;– Eine leicht verständliche Einführung in die Quantenelektrodynamik.</ref> Die hier entwickelten Konzepte und Methoden wurden als Vorbild für weitere, später entwickelte Quantenfeldtheorien verwendet.
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| [[Persephone (Mythologie)|Persephone]] <br /> Περσεφόνη (Persephonē) || [[Proserpina]] || Tochter des Zeus und der Demeter; Königin der Unterwelt; muss einen Teil des Jahres bei Hades verbringen, während dessen die Erde unfruchtbar bleibt; Beiname Kore (Κόρη = „Tochter“) || königliche Insignien und Fackel || [[Datei:Hades drawing.png|80x180px]]
Die Theorie der [[Quantenchromodynamik]] wurde Anfang der 1960er Jahre ausgearbeitet. Die heute bekannte Form der Theorie wurde 1975 durch [[David Politzer]], [[David Gross]] und [[Frank Wilczek]] formuliert. Aufbauend auf den wegweisenden Arbeiten von [[Julian Seymour Schwinger]], [[Peter Higgs]], [[Jeffrey Goldstone]] und [[Sheldon Glashow]] konnten [[Steven Weinberg]] und [[Abdus Salam]] unabhängig voneinander zeigen, wie die schwache Kernkraft und die Quantenelektrodynamik zu der Theorie der [[Elektroschwache Wechselwirkung|elektroschwachen Wechselwirkung]] zusammengeführt werden können.
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| [[Herakles]] <br /> {{Polytonisch|Ἡρακλῆς}} ''(Hērāklēs)'' || [[Herakles|Herkules]] || Heil- und Orakelgott, Beschirmer der Sportstätten und Paläste; berühmt für seine zwölf Arbeiten; Sohn von Zeus und [[Alkmene]] || Löwenfell, Keule, Bogen und Köcher || [[Datei:Herakles.png|80x180px]]
Bis heute ist die Quantenfeldtheorie ein aktives Forschungsgebiet, das sehr viele neuartige Methoden entwickelt hat. Sie ist die Grundlage aller Versuche, eine [[Weltformel|vereinheitlichte Theorie aller Grundkräfte]] zu formulieren. Insbesondere bauen [[Supersymmetrie]], [[Stringtheorie]], [[Schleifenquantengravitation]] und [[Twistor-Theorie]] maßgeblich auf den Methoden und Konzepten der Quantenfeldtheorie auf.
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| [[Hebe (Mythologie)|Hebe]] <br /> {{Polytonisch|Ἥβη}} <br /> (Hēbē) || [[Iuventas]] || Göttin der Jugend; [[Mundschenk]] der Götter, denen sie [[Nektar (Mythologie)|Nektar]] und [[Ambrosia]] reicht; später von [[Ganymed (Mythologie)|Ganymed]] abgelöst; Frau des [[Herakles]], nachdem dieser in den Olymp erhoben worden war; Schwester des [[Ares]] und des [[Hephaistos]] || || [[Datei:Hebe drawing.png|80x180px]]
== Überblick über die Forschungsgeschichte ==
 
Die folgende Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
 
{|class="wikitable"
!Entdeckung<ref>Für Quellenangaben und weitere Informationen bitte die jeweils verlinkten Hauptartikel aufrufen.</ref>
!Entdecker
!Entdeckungsjahr
!Anmerkungen
|-
|class="hintergrundfarbe6"|[[Linienspektrum|Linienspektren]], [[Spektrometrie]]
|[[Robert Wilhelm Bunsen|Bunsen]], [[Gustav Robert Kirchhoff|Kirchhoff]]
|1860
|
|-
|class="hintergrundfarbe6"|[[Photoeffekt]]
|[[Wilhelm Hallwachs|Hallwachs]]
|1886
|
|-
|class="hintergrundfarbe6"|[[Rydberg-Formel]]
|[[Johannes Rydberg|Rydberg]]
|1888
|Empirische Formel für das Wasserstoffspektrum, die erst durch das bohrsche Atommodell theoretisch untermauert werden konnte.
|-
|class="hintergrundfarbe6"|[[Feldemission]] von Elektronen
|[[Robert Williams Wood|Wood]]
|1897
|Erste Beobachtung des [[Tunneleffekt]]s, der allerdings erst viel später verstanden wurde.
|-
|class="hintergrundfarbe7"|[[Plancksches Strahlungsgesetz]]
|[[Max Planck|Planck]]
|1900
|Erste Anwendung der Quantenhypothese; „Geburtsstunde“ der Quantenphysik.
|-
|class="hintergrundfarbe7"|[[Photon]]en
|[[Einstein]]
|1905
|Strahlung ist gequantelt.
|-
|class="hintergrundfarbe6"|[[Supraleitung]]
|[[Heike Kamerlingh Onnes|Kamerlingh Onnes]]
|1911
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|class="hintergrundfarbe6"|[[Franck-Hertz-Versuch]]
|[[James Franck|Franck]], [[Gustav Hertz|Hertz]]
|1911–1914
|In Atomen gibt es diskrete Energieniveaus.
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|class="hintergrundfarbe7"|[[Bohrsches Atommodell]]
|[[Niels Bohr|Bohr]]
|1913
|Erstes quantenphysikalisches Atommodell; 1916 von [[Arnold Sommerfeld|Sommerfeld]] verfeinert ([[bohr-sommerfeldsches Atommodell]]), inzwischen jedoch überholt.
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|class="hintergrundfarbe6"|[[Compton-Effekt]]
|[[Arthur Compton|Compton]]
|1922
|Photonen haben einen Impuls.
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|class="hintergrundfarbe6"|[[Stern-Gerlach-Experiment]]
|[[Otto Stern (Physiker)|Stern]], [[Walther Gerlach|Gerlach]]
|1922
|Der Drehimpuls ist gequantelt.
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|class="hintergrundfarbe7"|[[Materiewelle]]n
|[[Louis de Broglie|de Broglie]]
|1924
|Begründung des Welle-Teilchen-Dualismus
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|class="hintergrundfarbe7"|[[Matrizenmechanik]]
|[[Werner Heisenberg|Heisenberg]]
|1925
|Erste strenge Formulierung der Quantenmechanik
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|class="hintergrundfarbe7"|[[Spin]] von Elektronen
|[[Samuel Goudsmit|Goudsmit]],[[George Uhlenbeck|Uhlenbeck]], [[Wolfgang Pauli|Pauli]]
|1925
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|class="hintergrundfarbe7"|[[Wellenmechanik]]
|[[Erwin Schrödinger|Schrödinger]]
|1926
|Mathematisch äquivalent zur Matrizenmechanik
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|class="hintergrundfarbe7"|Lösung des [[Wasserstoffproblem]]s
|Pauli, |[[Erwin Schrödinger|Schrödinger]]
|1926
|Energieniveaus und [[Atomorbital|Orbitale]] der Elektronen im Wasserstoffatom
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|class="hintergrundfarbe7"|[[Fermi-Dirac-Statistik]]
|[[Enrico Fermi|Fermi]], [[Paul Dirac|Dirac]]
|1926
|Theorie des [[Fermion]]en-Gases und damit Grundlage für die [[Festkörperphysik]], insbesondere bei [[Halbleiter]]n.
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|class="hintergrundfarbe7"|[[Unschärferelation]]
|[[Werner Heisenberg|Heisenberg]]
|1927
|Ort und Impuls sind nicht zugleich beliebig genau bestimmt.
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|class="hintergrundfarbe6"|[[Davisson-Germer-Experiment]]
|[[Clinton Davisson|Davisson]], [[Lester Germer|Germer]]
|1927
|Experimentelle Bestätigung der von de Broglie postulierten Materiewellen.
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|class="hintergrundfarbe7"|[[Dirac-Gleichung|Relativistische Quantenmechanik]]
|[[Oskar Klein|Klein]], [[Walter Gordon (Physiker)|Gordon]], Dirac
|1926–1928
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|class="hintergrundfarbe7"|[[Tunneleffekt]]
|[[George Gamow|Gamow]], [[Friedrich Hund|Hund]] <ref>[http://www.deutschlandfunk.de/die-quantentheorie-erklaert-das-sonnenfeuer-friedrich-hund.732.de.html?dram:article_id=344009 Friedrich Hund, der Tunneleffekt und das Leuchten der Sterne] auf Deutschlandfunk gesendet am 4. Februar 2016.</ref> und andere
|1926–1928
|Theoretische Erklärung für den Alpha-Zerfall und die Feldemission
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|class="hintergrundfarbe6"|[[Kernspinresonanz]]
|[[Isidor Rabi|Rabi]]
|1936
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|class="hintergrundfarbe6"|[[Suprafluidität]]
|[[Pjotr Leonidowitsch Kapiza|Kapiza]] et al.
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|[[William B. Shockley|Shockley]], [[Walter Brattain|Brattain]], [[John Bardeen|Bardeen]]
|1945
|„Geburtsstunde“ der Mikroelektronik
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|class="hintergrundfarbe7"|[[Quantenelektrodynamik]]
|[[Feynman]], [[Shin’ichirō Tomonaga|Tomonaga]], [[Julian Schwinger|Schwinger]]
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|[[Bell Laboratories]]
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|[[Clyde Cowan|Cowan]], [[Frederick Reines|Reines]]
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|1930 von Pauli vorhergesagt.
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|class="hintergrundfarbe7"|[[BCS-Theorie]]
|[[John Bardeen|Bardeen]], [[Leon Cooper|Cooper]], [[Schrieffer]]
|1957
|Quantenphysikalische Begründung der Supraleitung
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|class="hintergrundfarbe8"|[[Laser]]
|[[Maiman]]
|1960
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|[[Gell-Mann]]
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|class="hintergrundfarbe7"|[[Bellsche Ungleichung]]
|[[John Stewart Bell|Bell]]
|1964
|Es gibt keine verborgenen Parameter, die das Verhalten eines quantenphysikalischen Systems bestimmen.
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|class="hintergrundfarbe7"|[[Elektroschwache Wechselwirkung]]
|[[Glashow]], [[Abdus Salam|Salam]], [[Steven Weinberg|Weinberg]]
|1967
|Vereinigung der [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetischen]] und der [[Schwache Wechselwirkung|schwachen Wechselwirkung]]
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|class="hintergrundfarbe8"|[[CCD-Sensor]]
|[[Willard Boyle|Boyle]], [[George E. Smith|Smith]]
|1969
|Grundbaustein für die Digitalkamera
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|class="hintergrundfarbe8"|[[Mikroprozessor]]
|[[Texas Instruments]], [[Intel]]
|1970–1971
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|class="hintergrundfarbe7"|[[Quantenchromodynamik]]
|Gell-Mann u. a.
|1972
|Theorie der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]], wesentlicher Bestandteil des [[Standardmodell]]s
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|class="hintergrundfarbe8"|[[Magnetresonanztomographie]]
|[[Peter Mansfield|Mansfield]], [[Lauterbur]]
|1973
|Nutzung der [[Kernspinresonanz]] für ein bildgebendes Verfahren in der Medizin
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|class="hintergrundfarbe8"|[[Rastertunnelmikroskop]]
|[[Gerd Binnig]], [[Heinrich Rohrer|Rohrer]]
|1981
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|[[Klaus von Klitzing|von Klitzing]]
|1985
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|[[SanDisk]]
|1994
|Anwendung des Tunneleffekts in Speichermedien
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|[[Eric Cornell|Cornell]], [[Wolfgang Ketterle|Ketterle]], [[Carl Wieman|Wieman]]
|1995
|1924 von Albert Einstein vorhergesagter vierter [[Aggregatzustand]]
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|[[Anton Zeilinger|Zeilinger]]
|1997
|1935 hielten Einstein, Podolski und Rosen diesen Effekt der [[Quantenverschränkung]] für [[Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon|paradox]].
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|class="hintergrundfarbe7"|Theoretische Physik
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== Siehe auch ==
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== Literatur ==
== Literatur ==
* {{Roscher|6|764|848|Zwölfgötter|[[Wikipedia:Otto Weinreich|Otto Weinreich]]|}}


== Siehe auch ==
* [[Thomas Görnitz]]: ''Quanten sind anders; Die verborgene Einheit der Welt.'' Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1999, ISBN 978-3-827-40571-5
* [[Wikipedia:Römische Mythologie|Römische Mythologie]]
* Dirk Schneider: ''Jesus Christus Quantenphysiker — Warum die moderne Naturwissenschaft Vater, Sohn und Heiliger Geist zur Erklärung der Welt benötigt'', CreateSpace Independent Publishing Platform 2013, ISBN 978-1490310985, eBook ASIN B00DCCP5G2
* [[Wikipedia:Griechische Mythologie|Griechische Mythologie]]
* Werner Heisenberg: ''Quantentheorie und Philosophie'', Philipp Reclam jun. GmbH 1986, ISBN 978-3150099483
* Marcelo Alonso, Edward J. Finn: ''Quantenphysik und Statistische Physik''. 5., unveränderte Auflage. München: Oldenbourg Wissenschaftsverlag 2012, ISBN 978-3-486-71340-4
* Stephen Gasiorowicz: ''Quantenphysik''. 9. Auflage 2005. ISBN 978-3-486-27489-9
* P. C. W. Davies (Hrsg.), J. R. Brown (Hrsg.), Jürgen Koch (Übers.): ''Der Geist im Atom: Eine Diskussion der Geheimnisse der Quantenphysik'', Insel Verlag 1993, ISBN 978-3458331995
* Silvia Arroyo Camejo: ''Skurrile Quantenwelt''. 3. Auflage 2011. ISBN 978-3-596-17489-8
* Anton Zeilinger: ''Einsteins Spuk''. 2007, Goldmann. ISBN 978-3-442-15435-7
* Claus Kiefer: ''Quantentheorie''. 2. Auflage 2012, Fischer Kompakt. ISBN 978-3-596-19035-5
* [[Joachim Stiller]]: [http://joachimstiller.de/download/sonstiges_quantenphilosophie.pdf Quantenphilosophie] PDF
* Thomas Walther, Herbert Walther: ''Was ist Licht?'' 3. Auflage 2010, C.H. Beck. ISBN 978-3-406-44722-8
* Georg Unger: Grundbegriffe der modernen Physik - Vom Bilden physikalischer Begriffe, 2 Bände, Verlag Freies Geistesleben 1967
* Matthias Matting: ''Die faszinierende Welt der Quanten'', AO Edition 2013, eBook ASIN B008GNA7HO
* Lars Jaeger: ''Die zweite Quantenrevolution: Vom Spuk im Mikrokosmos zu neuen Supertechnologien'', Springer Verlag 2018, ISBN 978-3662575185, eBook ISBN 978-3-662-57519-2
 
== Weblinks ==
{{Wiktionary|Quantenphysik}}
{{Commonscat|Quantum physics|Quantenphysik}}
* [http://www.lectures4you.de/fachbereiche.php?Fachgebiet=Physik&Fachbereich=Quantenphysik Beispiele frei zugänglicher Lehrangebote zur Quantenphysik im Internet]
* [http://www.clifford.at/noa/noa_2005_10_07_quantenmechanik.mp3 Sendung von SWR 2 Impuls über Quantenmechanik] (47,9 MB, Sendung beginnt erst nach ca. 2 Minuten; MP3)
* [http://www.QuantumLab.de Experimente zur Quantenphysik: Verschränkung von Quanten, Quantenzufall, Quantenkryptographie]
* [http://www.amphilsoc.org/guides/ahqp/index.htm Sources for History of Quantum Physics] American Philosophical Society
* [http://dieumsnh.qfb.umich.mx/archivoshistoricosmq/ Archivos históricos de la mecánica quántica] (umfangreiche Sammlung historischer Texte zur Quantenmechanik)
* [[Joachim Stiller]]: [http://joachimstiller.de/sonstiges2.html Projekt Physik] Website
 
== Einzelnachweise ==
<references />


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Version vom 21. August 2019, 16:06 Uhr

Der Begriff Quantenphysik fasst alle Phänomene und Effekte zusammen, die darauf beruhen, dass bestimmte Größen nicht jeden beliebigen Wert annehmen können, sondern nur festgelegte diskrete Werte (siehe Quantelung). Dazu gehören auch der Welle-Teilchen-Dualismus, die Nichtdeterminiertheit von physikalischen Vorgängen und deren unvermeidliche Beeinflussung durch die Beobachtung. Quantenphysik umfasst alle Theorien, Modelle und Konzepte, die auf die Quantenhypothese von Max Planck zurückgehen. Plancks Hypothese war um 1900 notwendig geworden, weil die klassische Physik z. B. bei der Beschreibung des Lichts oder des Aufbaus der Materie an ihre Grenzen gestoßen war.

Die Quantenphysik ist neben der Relativitätstheorie der zweite Grundpfeiler der modernen Physik. Besonders deutlich zeigen sich die Unterschiede zwischen der Quantenphysik und der klassischen Physik im mikroskopisch Kleinen (z. B. Aufbau der Atome und Moleküle) oder in besonders „reinen“ Systemen (z. B. Supraleitung und Laserstrahlung). Aber auch ganz alltägliche Dinge wie die chemischen oder physikalischen Eigenschaften verschiedener Stoffe (Farbe, Ferromagnetismus, elektrische Leitfähigkeit usw.) lassen sich nur quantenphysikalisch verstehen.

Insbesondere gehören aber auch zwei Teilbereiche der theoretischen Physik zur Quantenphysik: die Quantenmechanik und die Quantenfeldtheorie. Erstere beschreibt das Verhalten von Quantenobjekten unter dem Einfluss von Feldern. Letztere behandelt zusätzlich die Felder als Quantenobjekte. Die Vorhersagen beider Theorien stimmen außerordentlich gut mit den Ergebnissen von Experimenten überein. Ihre einzige bekannte Schwäche besteht darin, dass sie sich nach dem gegenwärtigen Stand des Wissens nicht mit der – ebenfalls gut bestätigten – allgemeinen Relativitätstheorie vereinbaren lassen.

Theorien der Quantenphysik

Frühe Quantentheorien

Schon vor Entwicklung der Quantenmechanik gab es Entdeckungen, die zwar die Quantisierung bestimmter Größen postulieren und manchmal auch mit der Welle-Teilchen-Dualität begründen, jedoch keine tieferen Einsichten in die zugrundeliegenden Mechanismen erlauben. Insbesondere lieferten diese Theorien keine Vorhersagen, die über ihren entsprechenden Gegenstand hinausgingen. Im englischen Sprachgebrauch werden diese Vorläufer der Quantenmechanik als old quantum theory bezeichnet.

Im Jahr 1900 entwickelte Max Planck eine Formel zur Beschreibung der gemessenen Frequenzverteilung der von einem Schwarzkörper emittierten Strahlung, das Plancksche Strahlungsgesetz, wobei er von der Annahme ausging, dass der schwarze Körper aus Oszillatoren mit diskreten Energieniveaus besteht.[1] Planck betrachtete diese Quantelung der Energie also als Eigenschaft der Materie und nicht des Lichtes selbst. Das Licht war nur insofern betroffen, als Licht in seinem Modell immer nur in bestimmten Portionen Energie mit Materie austauschen konnte, weil in der Materie nur bestimmte Energieniveaus möglich seien. Dabei fand er zwischen der Energieportion und der Frequenz des Lichts den Zusammenhang .

Albert Einstein erweiterte diese Konzepte und schlug im Jahr 1905 eine Quantisierung der Energie des Lichtes selbst vor, um den photoelektrischen Effekt zu erklären.[2] Der photoelektrische Effekt besteht darin, dass Licht bestimmter Farben Elektronen aus Metalloberflächen herauslösen kann. Dabei kann der Lichtstrahl an jedes einzelne Elektron nur einen immer gleichen Energiebetrag abgeben, der zudem proportional ist zur Frequenz, also einer Eigenschaft des Lichtes. Daraus schloss Einstein, dass die Energieniveaus nicht nur innerhalb der Materie gequantelt sind, sondern dass das Licht ebenfalls nur aus bestimmten Energieportionen besteht, den Lichtquanten. Dieses Konzept ist mit einer reinen Wellennatur des Lichtes nicht vereinbar. Es musste also angenommen werden, dass das Licht weder eine klassische Welle noch ein klassischer Teilchenstrom ist, sondern sich mal so, mal so verhält.

1913 verwendete Niels Bohr das Konzept gequantelter Energieniveaus, um die Spektrallinien des Wasserstoffatoms zu erklären. Das nach ihm benannte bohrsche Atommodell geht davon aus, dass das Elektron im Wasserstoffatom mit einer bestimmten Energie um den Kern kreist. Das Elektron wird hierbei noch als klassisches Teilchen betrachtet, mit der einzigen Einschränkung, dass es nur bestimmte Energien haben kann und, wenn es mit einer solchen Energie um den Kern kreist, entgegen der klassischen Elektrodynamik keine elektromagnetische Welle erzeugt, also auch keine Energie abstrahlt. Eine experimentelle Bestätigung der von Bohr verwendeten Annahmen gelang im Franck-Hertz-Versuch 1914. Das bohrsche Atommodell wurde noch um einige Konzepte wie elliptische Bahnen des Elektrons erweitert, insbesondere von Arnold Sommerfeld, um auch die Spektren anderer Atome erklären zu können. Dieses Ziel wurde jedoch nicht zufriedenstellend erreicht. Außerdem konnte Bohr keine Begründung für seine Postulate geben außer der, dass das Wasserstoffspektrum damit erklärbar war; zu tieferer Einsicht führte sein Modell nicht.

Im Jahr 1924 veröffentlichte Louis de Broglie seine Theorie der Materiewellen, wonach jegliche Materie einen Wellencharakter aufweisen kann und umgekehrt Wellen auch einen Teilchencharakter aufweisen können.[3] Mit Hilfe seiner Theorie konnten der photoelektrische Effekt und das bohrsche Atommodell auf einen gemeinsamen Ursprung zurückgeführt werden. Die Umlaufbahnen des Elektrons um den Atomkern wurden als stehende Materiewellen aufgefasst. Die berechnete Wellenlänge des Elektrons und die Längen der Umlaufbahnen nach dem bohrschen Modell stimmten gut mit diesem Konzept überein. Eine Erklärung der anderen Atomspektren war jedoch weiterhin nicht möglich.

De Broglies Theorie wurde drei Jahre später in zwei unabhängigen Experimenten bestätigt, welche die Beugung von Elektronen nachwiesen. Der britische Physiker George Paget Thomson leitete einen Elektronenstrahl durch einen dünnen Metallfilm und beobachtete die von de Broglie vorhergesagten Interferenzmuster.[4] Bereits 1921 hatte ein ähnliches Experiment von Clinton Davisson und Charles Kunsman in den Bell Labs bei einem an Nickel reflektierten Elektronenstrahl Beugungsmuster gezeigt, die aber noch nicht als Interferenz gedeutet wurden.[5] Davisson und sein Assistent Lester Germer wiederholten das Experiment 1927 und erklärten die beobachteten klaren Beugungsmuster mit Hilfe der Wellentheorie de Broglies.[6]

Quantenmechanik

Hauptartikel: Quantenmechanik

Die moderne Quantenmechanik fand ihren Beginn im Jahr 1925 mit der Formulierung der Matrizenmechanik durch Werner Heisenberg, Max Born und Pascual Jordan.[7][8][9] Wenige Monate später entwickelte Erwin Schrödinger über einen völlig anderen Ansatz – ausgehend von De Broglies Theorie der Materiewellen – die Wellenmechanik und die Schrödingergleichung.[10] Kurz darauf konnte Schrödinger nachweisen, dass sein Ansatz der Matrizenmechanik äquivalent ist.[11]

Die neuen Ansätze von Schrödinger und Heisenberg enthalten eine neue Sicht auf beobachtbare physikalische Größen, sogenannte Observable. Diese waren zuvor als Größen betrachtet worden, die in jedem Zustand eines Systems bestimmte Zahlenwerte besitzen, wie zum Beispiel (für ein Teilchen in einer Dimension) der jeweilige Ort oder Impuls. Dagegen versuchten Heisenberg und Schrödinger den Observablenbegriff derart zu erweitern, dass er mit der Beugung am Doppelspalt verträglich würde. Wird dabei nämlich für jedes Teilchen durch eine zusätzliche Messung festgestellt, durch welchen der Spalte es fliegt, erhält man kein Doppelspaltinterferenzmuster, sondern zwei Einzelspaltmuster. Am Ende dieser Messung ist also der Zustand des beobachteten Teilchens ein anderer als vorher. Observable werden daher formal als Funktionen aufgefasst, die einen Zustand in einen anderen Zustand überführen. Des Weiteren muss jedes Teilchen „irgendwie“ durch beide Spalte fliegen, damit man überhaupt ein Interferenzmuster erklären kann. Dem Zustand jedes einzelnen (!) Teilchens während des Fluges muss man also beide Möglichkeiten zuschreiben, wobei sich bei Beobachtung genau eine realisiert. Das hatte zur Folge, dass der Zustand eines Teilchens nicht mehr durch eindeutige Größenwerte wie Ort und Impuls bestimmt sein kann, sondern von den Observablen und ihren Größenwerten getrennt werden muss. Bei einem Messprozess wird der Zustand in einen der sogenannten Eigenzustände der Observablen umgewandelt, dem nun ein eindeutiger reeller Messwert zugeordnet ist. Dies Konzept des quantenmechanischen Zustandes ist also mit dem Konzept der (mathematisch genauen) Bahnkurve in der älteren Quantentheorie nicht vereinbar. Mathematisch wird ein quantenmechanischer Zustand durch eine Wellenfunktion oder (weniger anschaulich) durch einen Zustandsvektor wiedergegeben.

Eine Folge dieses neuartigen Observablenbegriffs ist, dass es formal nicht möglich ist, zwei beliebige Observable ohne Angabe einer Reihenfolge auf einen Zustand wirken zu lassen. Wenn es bei zwei Messprozessen auf ihre Reihenfolge nicht ankommt (z. B. Messung von x- und y-Koordinate), heißen sie vertauschbar. Andernfalls (z. B. Messung von x-Koordinate und x-Impuls) muss ihre Reihenfolge festgelegt werden, und in genau diesen Fällen verändert die zweite Messung den durch die erste Messung erzeugten Zustand ein weiteres Mal. Daher würde auch eine anschließende Wiederholung der ersten Messung nun ein anderes Ergebnis haben. Es ist also möglich, dass zwei Observable, wenn sie in unterschiedlicher Reihenfolge auf einen Zustand wirken, unterschiedliche Endzustände liefern können. Wenn bei zwei Observablen die Reihenfolge der Messung entscheidend ist, weil die Endzustände sonst verschieden sind, führt dies zu einer sogenannten Unschärferelation. Für Ort und Impuls wurde diese erstmals von Heisenberg im Jahr 1927 beschrieben. Diese Relationen versuchen, die Streuung der Messwerte bei Vertauschen der Observablen, und damit die Unterschiedlichkeit der Endzustände quantitativ zu beschreiben.

1927 wurde die Kopenhagener Interpretation von Bohr und Heisenberg formuliert, die auch als orthodoxe Interpretation der Quantenmechanik bezeichnet wird. Sie stützte sich auf den Vorschlag von Max Born, das Betragsquadrat der Wellenfunktion, die den Zustand eines Systems beschreibt, als Wahrscheinlichkeitsdichte aufzufassen. Die Kopenhagener Deutung ist bis heute die Interpretation der Quantenmechanik, die von den meisten Physikern vertreten wird, obwohl es inzwischen zahlreiche andere Interpretationen gibt.

In den Jahren ab ca. 1927 vereinigte Paul Dirac die Quantenmechanik mit der speziellen Relativitätstheorie. Er führte auch erstmals die Verwendung der Operator-Theorie inklusive der Bra-Ket-Notation ein und beschrieb diesen mathematischen Kalkül 1930 in einer Monografie.[12] Zur gleichen Zeit formulierte John von Neumann die strenge mathematische Basis für die Quantenmechanik, wie z. B. die Theorie linearer Operatoren auf Hilberträumen, die er 1932 in einer Monografie beschrieb.[13]

Die Verwendung des Ausdrucks Quantenphysik ist erstmals 1929 in Max Plancks Vortrag Das Weltbild der neuen Physik dokumentiert.[14] Die in dieser Aufbauphase formulierten Ergebnisse haben bis heute Bestand und werden allgemein zur Beschreibung quantenmechanischer Aufgabenstellungen verwendet.

Quantenfeldtheorie

Hauptartikel: Quantenfeldtheorie

Ab 1927 wurde versucht, die Quantenmechanik nicht nur auf Partikel, sondern auch auf Felder anzuwenden, woraus die Quantenfeldtheorien entstanden. Die ersten Ergebnisse auf diesem Gebiet wurden durch Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Victor Weisskopf und Pascual Jordan erzielt. Um Wellen, Teilchen und Felder einheitlich beschreiben zu können, werden sie als Quantenfelder, ähnliche Objekte wie Observable, aufgefasst. Sie müssen jedoch nicht die Eigenschaft der Reellwertigkeit erfüllen. Das bedeutet, dass die Quantenfelder nicht unbedingt messbare Größen darstellen. Es ergab sich jedoch das Problem, dass die Berechnung komplizierter Streuprozesse von Quantenfeldern unendliche Ergebnisse lieferte. Die alleinige Berechnung der einfachen Prozesse liefert jedoch oft Ergebnisse, die stark von den Messwerten abwichen.

Erst Ende der 1940er Jahre konnte das Problem der Unendlichkeiten mit der Renormierung umgangen werden. Dies ermöglichte die Formulierung der Quantenelektrodynamik durch Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger und Shin’ichirō Tomonaga. Die Quantenelektrodynamik beschreibt Elektronen, Positronen und das elektromagnetische Feld erstmals in einer durchgängigen Weise, und die von ihr vorhergesagten Messergebnisse konnten sehr genau bestätigt werden.[15] Die hier entwickelten Konzepte und Methoden wurden als Vorbild für weitere, später entwickelte Quantenfeldtheorien verwendet.

Die Theorie der Quantenchromodynamik wurde Anfang der 1960er Jahre ausgearbeitet. Die heute bekannte Form der Theorie wurde 1975 durch David Politzer, David Gross und Frank Wilczek formuliert. Aufbauend auf den wegweisenden Arbeiten von Julian Seymour Schwinger, Peter Higgs, Jeffrey Goldstone und Sheldon Glashow konnten Steven Weinberg und Abdus Salam unabhängig voneinander zeigen, wie die schwache Kernkraft und die Quantenelektrodynamik zu der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung zusammengeführt werden können.

Bis heute ist die Quantenfeldtheorie ein aktives Forschungsgebiet, das sehr viele neuartige Methoden entwickelt hat. Sie ist die Grundlage aller Versuche, eine vereinheitlichte Theorie aller Grundkräfte zu formulieren. Insbesondere bauen Supersymmetrie, Stringtheorie, Schleifenquantengravitation und Twistor-Theorie maßgeblich auf den Methoden und Konzepten der Quantenfeldtheorie auf.

Überblick über die Forschungsgeschichte

Die folgende Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Entdeckung[16] Entdecker Entdeckungsjahr Anmerkungen
Linienspektren, Spektrometrie Bunsen, Kirchhoff 1860
Photoeffekt Hallwachs 1886
Rydberg-Formel Rydberg 1888 Empirische Formel für das Wasserstoffspektrum, die erst durch das bohrsche Atommodell theoretisch untermauert werden konnte.
Feldemission von Elektronen Wood 1897 Erste Beobachtung des Tunneleffekts, der allerdings erst viel später verstanden wurde.
Plancksches Strahlungsgesetz Planck 1900 Erste Anwendung der Quantenhypothese; „Geburtsstunde“ der Quantenphysik.
Photonen Einstein 1905 Strahlung ist gequantelt.
Supraleitung Kamerlingh Onnes 1911
Franck-Hertz-Versuch Franck, Hertz 1911–1914 In Atomen gibt es diskrete Energieniveaus.
Bohrsches Atommodell Bohr 1913 Erstes quantenphysikalisches Atommodell; 1916 von Sommerfeld verfeinert (bohr-sommerfeldsches Atommodell), inzwischen jedoch überholt.
Compton-Effekt Compton 1922 Photonen haben einen Impuls.
Stern-Gerlach-Experiment Stern, Gerlach 1922 Der Drehimpuls ist gequantelt.
Materiewellen de Broglie 1924 Begründung des Welle-Teilchen-Dualismus
Matrizenmechanik Heisenberg 1925 Erste strenge Formulierung der Quantenmechanik
Spin von Elektronen Goudsmit,Uhlenbeck, Pauli 1925
Wellenmechanik Schrödinger 1926 Mathematisch äquivalent zur Matrizenmechanik
Lösung des Wasserstoffproblems Schrödinger 1926 Energieniveaus und Orbitale der Elektronen im Wasserstoffatom
Fermi-Dirac-Statistik Fermi, Dirac 1926 Theorie des Fermionen-Gases und damit Grundlage für die Festkörperphysik, insbesondere bei Halbleitern.
Unschärferelation Heisenberg 1927 Ort und Impuls sind nicht zugleich beliebig genau bestimmt.
Davisson-Germer-Experiment Davisson, Germer 1927 Experimentelle Bestätigung der von de Broglie postulierten Materiewellen.
Relativistische Quantenmechanik Klein, Gordon, Dirac 1926–1928
Tunneleffekt Gamow, Hund [17] und andere 1926–1928 Theoretische Erklärung für den Alpha-Zerfall und die Feldemission
Kernspinresonanz Rabi 1936
Suprafluidität Kapiza et al. 1938
Transistor Shockley, Brattain, Bardeen 1945 „Geburtsstunde“ der Mikroelektronik
Quantenelektrodynamik Feynman, Tomonaga, Schwinger 1947
Solarzelle aus Halbleiter Bell Laboratories 1954
Neutrino Cowan, Reines 1956 1930 von Pauli vorhergesagt.
BCS-Theorie Bardeen, Cooper, Schrieffer 1957 Quantenphysikalische Begründung der Supraleitung
Laser Maiman 1960
Quarks Gell-Mann 1961
Bellsche Ungleichung Bell 1964 Es gibt keine verborgenen Parameter, die das Verhalten eines quantenphysikalischen Systems bestimmen.
Elektroschwache Wechselwirkung Glashow, Salam, Weinberg 1967 Vereinigung der elektromagnetischen und der schwachen Wechselwirkung
CCD-Sensor Boyle, Smith 1969 Grundbaustein für die Digitalkamera
Mikroprozessor Texas Instruments, Intel 1970–1971
Quantenchromodynamik Gell-Mann u. a. 1972 Theorie der starken Wechselwirkung, wesentlicher Bestandteil des Standardmodells
Magnetresonanztomographie Mansfield, Lauterbur 1973 Nutzung der Kernspinresonanz für ein bildgebendes Verfahren in der Medizin
Rastertunnelmikroskop Gerd Binnig, Rohrer 1981
Quanten-Hall-Effekt von Klitzing 1985
Flash-Speicher SanDisk 1994 Anwendung des Tunneleffekts in Speichermedien
Bose-Einstein-Kondensat Cornell, Ketterle, Wieman 1995 1924 von Albert Einstein vorhergesagter vierter Aggregatzustand
Quantenteleportation Zeilinger 1997 1935 hielten Einstein, Podolski und Rosen diesen Effekt der Quantenverschränkung für paradox.
Legende:   Experimentalphysik Theoretische Physik Technische Anwendung

Siehe auch

Literatur

  • Thomas Görnitz: Quanten sind anders; Die verborgene Einheit der Welt. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1999, ISBN 978-3-827-40571-5
  • Dirk Schneider: Jesus Christus Quantenphysiker — Warum die moderne Naturwissenschaft Vater, Sohn und Heiliger Geist zur Erklärung der Welt benötigt, CreateSpace Independent Publishing Platform 2013, ISBN 978-1490310985, eBook ASIN B00DCCP5G2
  • Werner Heisenberg: Quantentheorie und Philosophie, Philipp Reclam jun. GmbH 1986, ISBN 978-3150099483
  • Marcelo Alonso, Edward J. Finn: Quantenphysik und Statistische Physik. 5., unveränderte Auflage. München: Oldenbourg Wissenschaftsverlag 2012, ISBN 978-3-486-71340-4
  • Stephen Gasiorowicz: Quantenphysik. 9. Auflage 2005. ISBN 978-3-486-27489-9
  • P. C. W. Davies (Hrsg.), J. R. Brown (Hrsg.), Jürgen Koch (Übers.): Der Geist im Atom: Eine Diskussion der Geheimnisse der Quantenphysik, Insel Verlag 1993, ISBN 978-3458331995
  • Silvia Arroyo Camejo: Skurrile Quantenwelt. 3. Auflage 2011. ISBN 978-3-596-17489-8
  • Anton Zeilinger: Einsteins Spuk. 2007, Goldmann. ISBN 978-3-442-15435-7
  • Claus Kiefer: Quantentheorie. 2. Auflage 2012, Fischer Kompakt. ISBN 978-3-596-19035-5
  • Joachim Stiller: Quantenphilosophie PDF
  • Thomas Walther, Herbert Walther: Was ist Licht? 3. Auflage 2010, C.H. Beck. ISBN 978-3-406-44722-8
  • Georg Unger: Grundbegriffe der modernen Physik - Vom Bilden physikalischer Begriffe, 2 Bände, Verlag Freies Geistesleben 1967
  • Matthias Matting: Die faszinierende Welt der Quanten, AO Edition 2013, eBook ASIN B008GNA7HO
  • Lars Jaeger: Die zweite Quantenrevolution: Vom Spuk im Mikrokosmos zu neuen Supertechnologien, Springer Verlag 2018, ISBN 978-3662575185, eBook ISBN 978-3-662-57519-2

Weblinks

 Wiktionary: Quantenphysik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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Einzelnachweise

  1. M. Planck: Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum, Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft 2(1900) Nr. 17, S. 237–245, Berlin (vorgetragen am 14. Dezember 1900).
  2. A. Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt, Annalen der Physik 17 (1905), S. 132–148. (PDF).
  3. L. de Broglie: Recherches sur la théorie des Quanta, Doktorarbeit. Engl. Übersetzung (übers. A.F. Kracklauer): Ann. de Phys., 10e serie, t. III, (1925).
  4. G. P. Thomson: The Diffraction of Cathode Rays by Thin Films of Platinum. Nature 120 (1927), 802.
  5. C. Davisson, C.H. Kunsman: THE SCATTERING OF ELECTRONS BY NICKEL In: Science Bd. 54 S. 1104
  6. C. Davisson and L. H. Germer: Diffraction of Electrons by a Crystal of Nickel In: Phys. Rev.. 30, Nr. 6, 1927, doi:10.1103/PhysRev.30.705.
  7. W. Heisenberg: Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen Zeitschrift für Physik 33 (1925), S. 879–893.
  8. M. Born, P. Jordan: Zur Quantenmechanik, Zeitschrift für Physik 34 (1925), 858
  9. M. Born, W. Heisenberg, P. Jordan: Zur Quantenmechanik II, Zeitschrift für Physik 35 (1926), 557.
  10. E. Schrödinger: Quantisierung als Eigenwertproblem I, Annalen der Physik 79 (1926), 361–376. E. Schrödinger: Quantisierung als Eigenwertproblem II, Annalen der Physik 79 (1926), 489–527. E. Schrödinger: Quantisierung als Eigenwertproblem III, Annalen der Physik 80 (1926), 734–756. E. Schrödinger: Quantisierung als Eigenwertproblem IV, Annalen der Physik 81 (1926), 109–139.
  11. E. Schrödinger: Über das Verhältnis der Heisenberg-Born-Jordanschen Quantenmechanik zu der meinen, Annalen der Physik 79 (1926), 734–756.
  12. P. A. M. Dirac: „Principles of Quantum Mechanics“, Oxford University Press, 1958, 4th. ed., ISBN 0-19-851208-2.
  13. John von Neumann: „Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik“, Springer Berlin, 1996, 2. Auflage. Engl. (autorisierte) Ausg. (übers. R. T Beyer): „Mathematical Foundations of Quantum Mechanics“, Princeton Univ. Press, 1955 (dort p. 28 sqq.)
  14. M. Planck, Das Weltbild der neuen Physik, Monatshefte für Mathematik, Springer, Wien, Bd. 36 (1929), S. 387–410. Auszug google books.
  15. Richard Feynman: QED. Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie 1987, ISBN 3-492-21562-9 – Eine leicht verständliche Einführung in die Quantenelektrodynamik.
  16. Für Quellenangaben und weitere Informationen bitte die jeweils verlinkten Hauptartikel aufrufen.
  17. Friedrich Hund, der Tunneleffekt und das Leuchten der Sterne auf Deutschlandfunk gesendet am 4. Februar 2016.


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