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Quantentheorie

Sammelbegriff für physikalische Gesetze, die überall dort wichtig werden, wo mikroskopische Größenskalen ins Spiel kommen - sei es, weil es um den Aufbau der Materie geht, etwa in der Physik der Atome, Atomkerne oder Elementarteilchen, sei es im Zusammenhang mit ultragenauen Messungen wie denen an Gravitationswellendetektoren.

Die Gesetze der Quantentheorie unterscheiden sich beträchtlich von dem, was wir aus dem Alltag gewohnt sind und von den Vorstellungen der klassischen Physik.

Erste ungewohnte Eigenschaft ist, dass die Quantentheorie in vielen Fällen nurmehr Wahrscheinlichkeitsaussagen erlaubt: In der klassischen Physik kann man Teilchen zu jedem Zeitpunkt einen Ort und eine Geschwindigkeit zuordnen, und wer diese Größen genau bestimmen kann, kann im Prinzip genau vorhersagen, wo sich die Teilchen in der Zukunft aufhalten werden. In der Quantentheorie lässt sich einem System von Teilchen nurmehr ein abstrakter Zustand zuordnen, aus dem sich keine exakten Vorhersagen, sondern nur noch Wahrscheinlichkeiten dafür ableiten lassen, ein bestimmtes Teilchen zu einem zukünftigen Zeitpunkt an einem gegebenen Ort anzutreffen. Ob man das Teilchen wirklich an diesem Ort antrifft, ist vom Zufall bestimmt. (Eine Möglichkeit, die Wahrscheinlichkeiten zu berechnen, bieten so genannte Pfadintegrale; siehe das Vertiefungsthema Auf allen möglichen Wegen zum Ziel.)

Zweite ungewöhnliche Eigenschaft ist, dass die Genauigkeit bestimmter Messungen prinzipiell eingeschränkt ist (Heisenbergsche Unschärferelation). Je genauer man beispielsweise den Ort eines Teilchens bestimmt, umso ungenauer werden die Aussagen, die sich über seine Geschwindigkeit treffen lassen.

Die dritte Eigenschaft hat der Quantentheorie ihren Namen gegeben: Eine Reihe physikalischer Größen kommen in der Natur nur in winzigen Paketen vor, den Quanten. Elektromagnetische Strahlung etwa besteht in der Quantentheorie aus winzigen Lichtpaketen, den Photonen.

Beispiele für Quantentheorien sind die Quantenmechanik und relativistische Quantenfeldtheorien wie die Quantenelektrodynamik oder die anderen Teile des Standardmodells der Elementarteilchen.