Quantenvertraulich: Die verlorene Geschichte der Quantenmechanik

Von Dr. Scott Bembenek

Heutzutage scheint Quantenmechanik ein Begriff zu sein und nicht nur bei mir zu Hause. Trotzdem, bevor wir es getan haben Quantenverschränkung , Multiversen, Schrödingers Katze und Einsteins Verurteilung der Quantenmechanik „Ich bin jedenfalls davon überzeugt, dass [Gott] nicht würfelt.“, Wir hatten nur „Energiestücke“, oder Energiequanten Tatsächlich begannen die Energiequanten und die Arbeit von Max Planck Quantentheorie was uns später die Quantenmechanik geben würde.

1879 promovierte der 21-jährige Max Planck 1858–1947 für seine Entropie-Arbeit, ein Konzept, das ihm später sehr gute Dienste leisten sollte. Plancks Karriere begann jedoch nur schleppend.Ursprünglich konzentrierte er sich auf Probleme in der physikalischen Chemie und stellte fest, dass er weniger konkurrenzfähig mit Leuten wie Josiah Willard Gibbs 1839–1903 und Jacobus Henricus van 't Hoff 1852–1911 war, mit denen solche Probleme besser untersucht werden konnteneine tiefere chemische Einsicht.

Bis 1894 war Planck jedoch ordentlicher Professor an der Universität Berlin und bereit, eines der größten Probleme der Physik zu lösen: die seltsame Wechselwirkung zwischen Materie und Licht, die in der Schwarzkörperspektrum . Durch die experimentellen Erfolge in den frühen 1890er Jahren ermöglicht, schlug Wilhelm Wien 1864–1928 1893 eine sehr allgemeine mathematische Lösung für das als bekannt bekannte Problem vor. Wien Verschiebungsgesetz und 1896 stellte er eine aktualisierte Version zur Verfügung, bekannt als Wiener Strahlengesetz . Wien stützte letzteres jedoch auf eine schwache Analogie mit einem anderen Grundgesetz, die niemals eine tatsächliche strenge Ableitung lieferte. Dennoch zeigte es eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, und so schien es die lang ersehnte Lösung zu seinendlich war das Problem der Schwarzkörperstrahlung angekommen. Planck beschloss, genauer hinzuschauen.

Um 1898 gelang es Planck nach vielen gescheiterten Ansätzen, seine „Grundgleichung“ zu erhalten, die nichts weniger als die Gleichung für Materie im Gleichgewicht mit Licht war. Auf diese Weise wurde das Wiener Verschiebungsgesetz und die Entropie von aSingle Resonator was wir heute einem Atom oder Molekül gleichsetzen würden, konnte er - im Gegensatz zu Wien - eine tatsächliche Ableitung des Wiener Verschiebungsgesetzes liefern, das als das bekannt wurde Wien-Planck-Gesetz . Anfang 1899 war Planck also überzeugt, die universelle Form des Schwarzkörperspektrums, die sich die Physiker seit fast vierzig Jahren gewünscht hatten, erfolgreich gefunden zu haben. Aber dann begannen sich die Dinge zu entwirren.

Kaum hatte Planck von seinen Bemühungen berichtet im fünften einer Reihe von Veröffentlichungen seit Beginn, als neue Experimente Löcher in das Wien-Planck-Gesetz bohrten - Planck hatte irgendwo einen Fehler gemacht. Seine ursprüngliche Ableitung schnell neu bewertet,er fand seinen Fehler es lag in der Entropie der Resonatorberechnung und konnte zur richtigen Form des Schwarzkörperspektrums gelangen dh Planck-Strahlungsgesetz , was nun in perfekter Übereinstimmung mit dem Experiment war.Zu diesem Zeitpunkt hätte Planck aufhören und sich einem anderen Problem zuwenden können, um sicher zu sein, dass er den Nobelpreis gewinnen würde.Planck war jedoch noch nicht zufrieden.

Obwohl er mit seinem neuen Gesetz die richtigen Antworten im Vergleich zum Experiment erhalten konnte, war die tatsächliche physikalische Bedeutung immer noch nicht klar. Außerdem musste Planck ein wenig kluges „inspiriertes Raten“ verwenden, um die endgültige Form zu erhalten, diePlanck hatte sich auch immer ein wenig verunsichert. Planck hatte immer Lösungen für körperliche Probleme mit einem „Hunger der Seele“ wie Einstein es beschrieb angegangen, und diesmal würde es nicht anders sein - außer ihn dabei ein bisschen von seiner Seele zu kosten.

Ludwig Boltzmann 1844–1906 und Planck hatten mehr als einmal Köpfe gestoßen. Im Zentrum ihrer Konflikte stand die grundlegende Natur der Entropie. Während Boltzmann Entropie als eine Eigenschaft betrachtete, die in der statistischen Interpretation wurzelte, sah Planck dies in mehr"Absolute" Begriffe ohne solchen statistischen Unsinn. Planck war nicht allein in seinem Missverständnis. In der Tat machte Boltzmann selbst denselben Fehler früher, wie Einstein später der ihn wie Boltzmann erkannte und korrigierte und Rudolf Clausius 1822–1888 nie zugestanden er sah nie die Notwendigkeit, Entropie mit anderen Begriffen als ihrer thermodynamischen Definition zu beschreiben.

Was auch immer Planck an Boltzmanns Arbeit befürchtete, er hatte ihm bereits von Anfang an Zugeständnisse gemacht, und so würde er es erneut tun er musste „unter allen Umständen und um jeden Preis ein positives Ergebnis erzielen“.Er musste seinen Ausdruck für die Entropie seines Resonators noch einmal überdenken, und so appellierte er an Boltzmanns statistische Version der Entropie :

Die eigentliche Mathematik zur Berechnung der Entropie erforderte, dass Planck die seinem Resonator zur Verfügung stehenden Energien in diskrete „Stücke“ zerlegte. Boltzmann hatte dies ebenfalls getan, wenn er überlegte die Energie, die zur Verfügung steht ein Gasatom statt eines Resonators. Boltzmann betrachtete dies jedoch nur als einen mathematischen Trick und er beseitigte daher diese bequemen noch - was er dachte zu sein - nichtphysische Energiestücke am Ende seiner Berechnung. Aber für Planck war dies keine Option; er brauchte die Blöcke, um a fahren Sie mit seinem Strahlungsgesetz fort. I Auf diese Weise wurde Boltzmanns mathematischer Trick zu Plancks physikalischer Realität: Energie kommt in Stücken oder Energie Quanten .

Planck, jetzt zweiundvierzig, war sich dessen bewusst Energie Quanten würden die Physik für immer drastisch verändern. Als solches entschied er und so ziemlich alle anderen, diese nervigen Brocken zu ignorieren und sich auf die bemerkenswerte Genauigkeit von zu konzentrieren. Plancks Strahlungsgesetz. Tatsächlich kam Planck erst acht Jahre später dazu, dass Energiequanten physische Realität waren, und selbst dann vielleicht nur halbherzig. Dennoch, 1905, ein 26-jähriger -Der alte Einstein befasste sich nicht nur mit dem Konzept der Energie, die in Stücken kommt, sondern erweiterte das Konzept auch auf das Licht, um es einzuführen. Lichtquanten die wir jetzt Photonen nennen.

Die „verrückten“ physikalischen Konsequenzen, die der Erfolg der Quantenmechanik mit sich bringt, sind heute vielen bekannt. Die faszinierende Geschichte und die wissenschaftlichen Kämpfe um ihre Entstehung sind jedoch viel weniger bekannt. Dennoch sind diese erstaunlichen Wissenschaftsgeschichten bekanntwirklich inspirierend und sie sind genauso wichtig wie die tatsächlichen Entdeckungen selbst.

Dr. Scott Bembenek ist Hauptwissenschaftler in der Gruppe Computer-Aided Drug Discovery bei Johnson & Johnson Pharmaceutical Research & Development in San Diego. Er ist auch Autor von Die kosmische Maschine: Die Wissenschaft, die unser Universum regiert, und die Geschichte dahinter . Um mehr über Dr. Bembenek und seine Arbeit zu erfahren, besuchen Sie http://scottbembenek.com und mit ihm verbinden Twitter .