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Lexikon der Astronomie: Quant

Die Quanten sind die die kleinsten, diskreten Einheiten einer physikalischen Größe und gaben der Quantentheorie, einer der großen Theorien der modernen Physik des 20. Jahrhunderts, ihren Namen. Verschiedene physikalische Größen entpuppen sich als quantisiert, so beispielsweise die Energie, der Spin, Felder, der magnetische Fluss etc. Alle diese Größen können nur diskrete Zustände annehmen, also aus einem Wertebereich von Zahlen schöpfen, der nicht beliebig ist, sondern nur bestimmte Vielfache einer fundamentalen Einheit erlaubt. Diese Einheit ist das Quant.

quantisierte Elektronenzustände in Atomhüllen

Ein prominentes Beispiel sind die Zustände, die ein Elektron in einer Atomhülle annehmen kann. Diese Quantenzustände sind diskretisiert auf bestimmten Energiestufen. Übergänge, die ein Elektron von einer Energiestufe auf die andere unternehmen kann, sind mit der Absorption (Energiegewinn, Übergang auf eine energetisch höhere Stufe) oder Emission (Energieverlust, Übergang auf eine energetisch niedrigere Stufe) eines Photons verbunden. Diese Übergänge sind elektromagnetischer Natur. Deshalb wird auch das Feldquant der elektromagnetischen Wechselwirkung ausgetauscht, das Photon. Die Quantisierung des elektromagnetischen Feldes, also eine Beschreibung elektromagnetischer Vorgänge durch den Austausch von Feldquanten, bewerkstelligt die so genannte Quantenelektrodynamik (QED).

Apparat der Quantenfeldtheorien

Die Felder anderer Wechselwirkungen können ebenfalls quantisiert werden. Die starke Wechselwirkung findet so ihre adäquate Beschreibung in der Quantenchromodynamik (QCD) mit den Gluonen als Feldquanten, die schwache Wechselwirkung und elektroschwache Theorie haben die W- und Z-Teilchen (Weakonen) als Feldquanten und bei einer Quantengravitation postuliert man die Gravitonen.
Das allgemeine Konzept, das hinter all diesen Ausprägungen von Quantenfeldtheorien (QFT) steht ist die Eichtheorie. Die Feldquanten heißen Eichbosonen und sind als 'Boten-' oder Austauschteilchen der jeweiligen Kraft anzusehen.

Quanten sind immer winzig

Quanten haben in gewöhnlichen physikalischen Einheiten der Makrophysik (Kilogramm, Joule etc.) winzige Beträge. Der Quantencharakter tritt also in der Regel erst auf den kleinen Skalen der subatomaren Welt (fm, also 10-13 cm) in Erscheinung. Dies ist der tief liegende Grund dafür, dass die Quantenphysik erst im 20. Jahrhundert entdeckt wurde. Zum Nachweis der Quanten sind hochpräzise, experimentelle Anordnungen vonnöten.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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