Quantenphysik

Quantenphysik ist der Zweig der Physik, der das Verhalten von Materie und Energie auf der Ebene von Atomen, Elektronen und anderen subatomaren Teilchen beschreibt. Im mikroskopischen Maßstab erklären ihre Gesetze Phänomene, die sich der klassischen Mechanik entziehen, etwa die Quantisierung von Größen, der Wellencharakter von Teilchen und statistische Vorhersagen.

Zentrale Konzepte sind die Quantisierung von Größen, die Welle-Teilchen-Dualität, Überlagerung und Verschränkung sowie die Unschärferelation. Ein Teilchen kann in einem Zustand über mehrere Pfade hinweg existieren; Messungen liefern Wahrscheinlichkeiten statt sicherer Vorhersagen; verschränkte Systeme zeigen Korrelationen, die sich nicht durch lokale Einflüsse erklären lassen.

Mathematisch wird die Quantenphysik durch Zustände in Hilberträumen, Observablen als Operatoren und die Zeitentwicklung durch die Schrödinger-Gleichung beschrieben. Die Born-Regel ordnet jedem Zustand Wahrscheinlichkeiten zu. Die Theorie umfasst auch die Quantenfeldtheorie, die Relativität berücksichtigt und die Teilchenphysik integriert.

Historisch entstanden die Grundlagen in den Arbeiten von Planck, Einstein, Bohr, de Broglie, Heisenberg und Schrödinger im frühen 20. Jahrhundert. Wichtige Experimente wie der Doppelspaltversuch, Quantenverschränkung und Quantenkommunikation bestätigten die Theorie. Anwendungen zeigen sich in Halbleitern, Lasern, medizinischen Bildgebungsverfahren sowie in der aufkommenden Quanteninformation, zu der Quantencomputer und Quantenkryptografie gehören.