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Lexikon der Astronomie: Quantensprung

In der Quantentheorie, einer Theorie der modernen Physik des 20. Jahrhunderts, konnte nachgewiesen werden, dass zahlreiche physikalische Größen, wie Energie, Spin, Felder, magnetischer Fluss etc. nur diskrete Zustände annehmen können, d.h. der Wertebereich an Zahlen, den die Größe annehmen kann ist nicht kontinuierlich und beliebig, sondern auf Vielfache einer fundamentalen Einheit, dem Quant, beschränkt. Die Physiker sagen, die physikalische Größe sei quantisiert.

Grundlagen der Quantentheorie

Eine Zustandsänderung der physikalischen Größe kann im Formalismus der Zweiten Quantisierung sehr anschaulich mit Erzeugung- und Vernichtungsoperatoren notiert werden. Dabei ändert sich der Quantenzustand einerseits dadurch, dass er durch eine andere Wellenfunktion beschrieben wird und andererseits dieser Zustand (in der Regel, außer bei Entartung) durch einen anderen Eigenwert beschrieben wird. Der Eigenwert entspricht einer messbaren Größe, der Observablen und ist synonym mit dem Begriff Erwartungswert. Verkürzt kann dann ein Quantenzustand durch eine Zahl wiedergegeben werden, der so genannten Quantenzahl. In der Regel charakterisieren viele Quantenzahlen einen Quantenzustand. Als Beispiel möge die Teilchenphysik dienen, wo ein Teilchen durch die Quantenzahlen Spin, Ladung, Isospin, Seltsamkeit etc. eindeutig beschrieben ist. Die Quantenzahlen dienen dann einer Katalogisierung des Teilchenzoos.

Wenn Quanten hops gehen

Der Übergang von einem diskreten Quantenzustand in den anderen kann als 'Sprung' bezeichnet werden. In Operatorschreibweise werden diese Sprünge durch die Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren bewerkstelligt: der Erzeugungsoperator fügt dem System ein Quant hinzu und stellt einen 'höheren' Quantenzustand her; der Vernichtungsoperator zieht dem System ein Quant ab und präpariert einen 'niedrigeren' Quantenzustand. Weil man sich diese diskreten Zustandsänderungen wie Schritte auf den Sprossen einer Leiter vorstellen kann, subsumiert man die Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren manchmal auch unter dem Begriff 'Leiteroperatoren'. Es können nicht beliebig viele Quanten durch Vernichtungsoperatoren entnommen werden. Irgendwann ist ein Quantenzustand niedrigster Stufe erreicht, den man Grundzustand nennt und mit dem Quantenvakuum identifiziert.

'Das war der Quantensprung in der in unserem Unternehmen!'

Quantensprünge sind also nichts anderes als diskrete Zustandsänderungen in Quantensystemen. Dieser Begriff wurde nun der physikalischen Terminologie entlehnt, um in der Alltagssprache, besonders in der Wirtschaftssprache, einen revolutionären Fortschritt zu betiteln. Gerne werden innovative Technologien mit dem Attribut 'Quantensprung' apostrophiert. Streng genommen ist diese Entlehnung (rhetorisch gesprochen eine Analogie) eine semantische Fehlleistung, weil eine winzige Änderung in Quantensystemen, also Bereichen der Mikrophysik, mit einer ganz großen Veränderung in Makrosystemen gleich gesetzt wird.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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