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Eigenzustand

Ein Eigenzustand bezüglich einer gegebenen Messgröße ist jeder Zustand eines quantenmechanischen Systems, in dem diese Messgröße einen eindeutig definierten Wert hat. Dieser Wert wird Eigenwert genannt.

Beispiel: Ein Elementarteilchen in einem Orts-Eigenzustand hat einen eindeutig bestimmten Ort. Eine Ortsmessung an diesem Elementarteilchen hat damit (in der Quantentheorie nicht selbstverständlich!) ein eindeutiges, vorhersagbares Ergebnis.

Quantensysteme in einem Eigenzustand bezüglich einer bestimmten Messgröße sind damit typischerweise völlig unbestimmt bezüglich einer zugehörigen zweiten Messgröße (so genannte Heisenbergsche Unschärferelation). Beispielsweise ist das Ergebnis einer Messung der Geschwindigkeit des oben erwähnten Elementarteilchens völlig unvorhersehbar.

Definitioner

Elementarteilchen

Innerhalb der allgemein akzeptierten Modelle der Physik sind bestimmte Teilchen nicht aus noch fundamentaleren Unterteilchen aufgebaut - sie sind selbst elementar. Beispiele für Elementarteilchen sind Elektronen, Quarks und Neutrinos, während Teilchen wie Protonen oder Neutronen aus Untereinheiten bestehen und daher nicht elementar sind. Das Studium der Elementarteilchen wird als Teilchenphysik bezeichnet, unter welchem Stichwort einige weitere Informationen über den theoretischen Rahmen der Elementarteilchen zu finden sind.

Zustand

Siehe Aggregatzustand.

Eigenzustand

Eigenwert (Eigenzustand)

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.

Eigenwert

Siehe Eigenzustand

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Eigenzustand

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