Wenn jemand laut dem Quantentunneleffekt immer versucht, durch eine Wand zu gelangen, wie hoch ist dann die Erfolgswahrscheinlichkeit?

Dieser Artikel basiert auf der Beantwortung einer Frage von Internetnutzern: Wie hoch ist gemäß der Theorie der Quantenmechanik die Wahrscheinlichkeit, dass eine Person, die gegen eine Wand stößt, diese durchqueren kann?

Ich kann Ihnen ganz einfach und verantwortungsvoll sagen: Null Wahrscheinlichkeit.

Die Quantenmechanik beschreibt Phänomene, die nur im Quantenbereich auftreten.

Das sogenannte Quantenfeld ist das mikroskopische Feld. Die Theorie der Quantenmechanik ist nur gültig, wenn sie die Phänomene in der Welt der mikroskopischen Teilchen beschreibt. Diese Phänomene existieren in der makroskopischen Welt nicht.

Wie klein ist dieses mikroskopische Ding? Es findet hauptsächlich auf subatomarer Ebene statt, also auf einer Ebene, die kleiner ist als ein Atom. Der Durchmesser der Spitze einer Sticknadel beträgt etwa 10 μm (Mikrometer), was etwa 0,000001 cm^2 entspricht. Dies scheint sehr klein, aber für Quanten ist es immer noch eine extrem große makroskopische Angelegenheit. Der Durchmesser eines Atoms beträgt etwa 10^-12 cm und seine scheinbare Fläche beträgt etwa 10^-24 cm. So können auf der Spitze einer Nadel 100 Billionen Atome angeordnet werden.

Subatomare Teilchen wie Neutronen, Protonen und Elektronen sind viel kleiner als Atome. Die Durchmesser dieser subatomaren Teilchen liegen alle unter 10^-17 cm, sodass 100 Billionen Billionen Billionen davon auf der Spitze einer Nadel angeordnet werden können. Der Quantentunneleffekt tritt hauptsächlich auf subatomarer oder atomarer Ebene auf, die für den Menschen unsichtbar ist. Dies kann allenfalls auf der Ebene bestimmter Moleküle (wie etwa Wassermoleküle) geschehen. Es ist völlig unmöglich, die Größe einer Nadelspitze zu erreichen, geschweige denn ein makroskopisches Phänomen, das das menschliche Niveau erreicht.

Daher rate ich allen, die solche Fantasien haben, davon ab, es zu versuchen. Denn egal, wie oft Sie darauf schlagen, Sie bekommen einen blutigen Kopf, und je härter Sie zuschlagen, desto schneller werden Sie sterben, es sei denn, die Wand besteht aus Tofu.

Was ist der Quantentunneleffekt?

Die Theorie, die viele Menschen dazu bringt, davon zu träumen, durch Wände gehen und tun zu können, was sie wollen, ist das Ergebnis eines Missverständnisses mancher Leute hinsichtlich der Theorie des Quantentunneleffekts in der Quantenmechanik.

Der sogenannte Quantentunneleffekt bezeichnet das Quantenverhalten mikroskopischer Teilchen wie Elektronen, die in der Lage sind, Potenzialbarrieren zu durchdringen oder zu überwinden. Eine potenzielle Barriere ist ein komplexes Konzept. Um es klar zu erklären, sind eine Reihe von Funktionsgleichungen und andere Kenntnisse erforderlich (die folgende Abbildung zeigt nur einen kleinen Teil davon), die hier nicht erläutert werden.

Einfach ausgedrückt bedeutet der Quantentunneleffekt, dass mikroskopische Teilchen scheinbar unüberwindbare Wände überspringen können, bei denen es sich um potenzielle Barrieren handelt, die ursprünglich unüberwindbar waren. In der klassischen Mechanik, also unserer makroskopischen Welt, ist dies unmöglich, aber in der Quantenwelt besteht für dieses Teilchen die Wahrscheinlichkeit, diese hohe Wand zu durchqueren. Bitte beachten Sie, dass es sich hierbei lediglich um eine Wahrscheinlichkeit und nicht um einen absoluten Wert handelt.

Bei der sogenannten Potentialbarriere handelt es sich nicht um eine sichtbare Substanz wie etwa eine reale Wand oder Trennwand, sondern um Energie. So wie die Teilchen in einem Atom durch die Energie des Atomkerns gebunden sind, ist logischerweise eine sehr große Energie erforderlich, um dem Energiepotenzial des Atomkerns zu entkommen. Daher können diese Teilchen nach dem Verständnis der klassischen Mechanik dem Kernpotential nicht entkommen.

Beim Alphazerfall wird das Alphateilchen jedoch aus dem Kern ausgestoßen, ohne dass hierfür eine Energie erforderlich ist, die größer ist als das Kernpotential. Dieses Phänomen kann nur durch das Unschärfeprinzip und die Wellenfunktion der Quantenmechanik erklärt werden.

Nach der Etablierung dieser Theorie konnte die wissenschaftliche Gemeinschaft einige Phänomene der Kernfusion, des radioaktiven Zerfalls, der Astrochemie und der Quantenbiologie im Inneren von Sternen besser enthüllen und die eingehende wissenschaftliche Forschung vorantreiben. Wissenschaftler entwickelten außerdem das Rastertunnelmikroskop auf Grundlage der Theorie des Quantentunneleffekts. Die beiden Erfinder Gerd Binning und Heinrich Röhrer sowie der Erfinder des Elektronenmikroskops, Ernst Ruska, teilten sich 1986 den Nobelpreis für Physik.

Es gibt viele seltsame Phänomene in der Quantenwelt, die nur auf mikroskopischer Ebene auftreten können

Die bekanntesten Theorien der Quantentheorie sind das Unschärfeprinzip und der Kollaps der Wellenfunktion.

Das Unschärfeprinzip, auch als Unschärferelation bekannt, wurde 1927 von Heisenberg vorgeschlagen. Der Kerninhalt dieser Theorie besteht darin, dass es für Menschen unmöglich ist, gleichzeitig die Position und Geschwindigkeit eines Teilchens zu kennen, da die Unschärfe der Teilchenposition größer oder gleich der Planck-Konstante geteilt durch 4π sein muss und die Formel ΔxΔp≥h/4π lautet.

Diese Theorie zeigt, dass sich das Verhalten von Teilchen in der mikroskopischen Welt völlig von der Bewegung von Materie in der makroskopischen Welt unterscheidet. In unserer makroskopischen Welt können wir die Position und Geschwindigkeit von Autos, Flugzeugen und sogar Raumfahrzeugen gleichzeitig kennen, sodass dies mit der klassischen Physik nur schwer zu verstehen ist.

Der Kollaps der Wellenfunktion bezieht sich auf das Phänomen, dass sich die Wellenfunktion nach der Interaktion bestimmter quantenmechanischer Systeme mit der Außenwelt ändert und zu einem ihrer Eigenzustände oder einer linearen Kombination mehrerer Eigenzustände mit demselben Eigenwert wird. Wie verstehen Sie diesen Satz? Tatsächlich handelt es sich hierbei auch um eine Erweiterung des Quantenunsicherheitsprinzips, d. h., durch Quantenmessungen ändert sich das Quantenverhalten von einem Wellenzustand in einen Teilchenzustand, und die Beobachtungsergebnisse sind unsicher.

Einige seltsame Phänomene der Quantenmechanik werden nicht nur von der breiten Öffentlichkeit nicht verstanden, sondern selbst Einstein, einer der Begründer der Quantenmechanik, und Schrödinger, der die Wellengleichung der Quantenmechanik (Schrödingergleichung) erstellte, waren sehr verwirrt. Im letzten Jahrhundert führten sie eine ein halbes Jahrhundert dauernde Debatte mit der Kopenhagener Schule (deren Theorie als Kopenhagener Deutung bezeichnet wurde und später als orthodoxe Theorie der Quantenmechanik bestätigt wurde) und wurden letztlich besiegt.

Eines der bekanntesten Beispiele ist das Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“

Diese arme „Katze“ wurde von Schrödinger aus dem Nichts erschaffen. Seine Idee war: Da ist eine Katze in einer versiegelten Kiste. Die Katze ist jederzeit in Gefahr, da sich in der Kiste eine Flasche Giftgas befindet. Auf der Giftgasflasche befindet sich ein Hammer, der groß genug ist, um die Flasche zu zerschlagen. Der Hammer wird durch den Zerfall radioaktiver Elemente gesteuert und niemand weiß, wann dieses Element zerfallen wird.

Für diese Katze gibt es zwei mögliche Ausgänge: Erstens, solange das Element zerfällt, wird der Hammer fallen, die Flasche zerbrechen und das Giftgas austreten lassen, wodurch die Katze stirbt; zweitens zerfällt das Element nicht und die Katze bleibt am Leben.

Die Frage ist: Ist die Katze tot oder lebendig?

Nach der Theorie der klassischen Mechanik gibt es für diese Katze zwei klare Ausgänge: entweder tot oder lebendig. Da die Kiste jedoch versiegelt ist, kann niemand von außen wissen, ob die Katze tot oder lebendig ist, bevor er die Kiste öffnet. Nur durch das Öffnen der Kiste können wir sicher wissen, ob die Katze tot oder lebendig ist, eines von beidem.

Doch gemäß der Unschärferelation und der Theorie des Kollapses der Wellenfunktion geht die Quantenmechanik davon aus, dass sich die Katze vor dem Öffnen der Kiste in einem Überlagerungszustand von tot und lebendig befindet und dass es keinen Zustand von tot oder lebendig gibt. Erst wenn die Kiste geöffnet wird und die Beobachtung zum Kollaps der Wellenfunktion führt, kollabiert die Katze vom Überlagerungszustand der Wellen in den Eigenzustand, das heißt, sie ist entweder tot oder lebendig.

Der Kern des Streits zwischen den beiden ist: Die klassische Mechanik geht davon aus, dass die Katze vor dem Öffnen der Kiste tot oder lebendig ist und das Ergebnis erst nach dem Öffnen der Kiste bekannt ist. Die Quantenmechanik geht davon aus, dass der Zustand vor und nach dem Öffnen der Schachtel bekannt ist und dass Leben oder Tod der Katze in dem Moment bestimmt werden, in dem die Schachtel geöffnet wird. Bevor die Kiste geöffnet wird, befindet sich die Katze in einem Überlagerungszustand von tot und lebendig.

Okay, welche Aussage unterstützen Sie nun auf der Grundlage unseres alltäglichen gesunden Menschenverstands beim Essen, Trinken, Stuhlgang und Urinieren? Natürlich ist es die Methode der klassischen Mechanik. Ist die Aussage der Quantenmechanik nicht einfach der Unsinn eines Verrückten? Nun, herzlichen Glückwunsch, Ihre Ideen sind genau die gleichen wie die von Meisterwissenschaftlern wie Einstein und Schrödinger.

Schrödinger entwickelte dieses Gedankenexperiment, um jene Theorien der Quantenmechanik zu satirisieren, die seltsame Phänomene unterstützen. Doch spätere Tatsachen bewiesen, dass die Katze in der Quantenwelt wirklich so war. Es war wie durch Zauberhand tot und lebendig, bevor die Schachtel geöffnet wurde. Diese seltsamen Phänomene gibt es in der Quantenwelt tatsächlich.

Schiedsrichter dieser Debatte war das berühmte Bellsche Ungleichheitsexperiment. Dieses Experiment bestätigte die Zuverlässigkeit der Kopenhagener Deutung und wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft allgemein anerkannt. Infolgedessen wurde die Kopenhagener Deutung zur authentischen Theorie der Quantenmechanik. (Ich habe in der Vergangenheit bereits über die Bellsche Ungleichung gesprochen, daher werde ich heute nicht darauf eingehen.)

In der heutigen wissenschaftlichen Gemeinschaft herrscht Konsens darüber, dass wir unsere Welt nur dann genauer verstehen können, wenn wir die Theorie der Quantenmechanik mit Einsteins Relativitätstheorie kombinieren. Heute spielt die Theorie der Quantenmechanik in verschiedenen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung und technologischen Anwendung eine wichtige Rolle und fördert die Entwicklung der menschlichen Zivilisation auf ein höheres Niveau.

Die Theorie der Quantenmechanik erklärt viele seltsame Phänomene in der Quantenwelt, wie etwa Schrödingers Katze, den Quantentunneleffekt, die Quantenverschränkung, Dekohärenz und andere seltsame Phänomene. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um Phänomene, die auf der Quantenebene auftreten und nicht mit der Logik der makroskopischen Realwelt verifiziert werden können.

In der Vergangenheit waren die Debatten zwischen Wissenschaftlern wie Einstein und Schrödinger sowie der Kopenhagener Schule die wissenschaftlichen Auseinandersetzungen dieser Ära. Da diese Theorien mittlerweile allgemein anerkannt sind, wäre es töricht, weit hergeholte Zusammenhänge herzustellen oder sie gar mit übernatürlichen Wesen in Verbindung zu bringen. Was denken Sie? Willkommen zur Diskussion, danke fürs Lesen.

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