Eine Reise in das kleine Universum: Großartige Quanten!

Wäre es nicht faszinierend, an mehreren Orten gleichzeitig zu sein?

In unserem Alltag scheint das schwer vorstellbar, und doch treten solche Effekte auf der Größenordnung der kleinsten Teilchen, der Atome und Elektronen, auf. Schaut man nur tief genug in die Materie hinein, eröffnet sich einem eine seltsame Welt, die ihren eigenen Regeln folgt. Die Theorie, die diese Gesetze beschreibt, ist die Quantenphysik.

Diese ist teilweise so absurd, dass selbst Albert Einstein sie nicht akzeptieren wollte. Und doch ist die Quantenphysik eine der bislang am besten geprüften physikalischen Theorien.

Eine ungeheuerliche Idee revolutioniert die Wissenschaft

Anfang des 20ten Jahrhunderts glaubte man, dass die Physik vollständig sei. Bis auf wenige Widersprüche ließen sich alle Vorgänge erklären. Aber durch ein paar junge Wissenschaftler, die neue Ideen entwickelten und sich nicht von Absurdität abschrecken ließen, konnte die Physik revolutioniert werden.

Schwarze Körper

Einer dieser Wissenschaftler war der deutsche Physiker Max Planck, der die Strahlung eines „schwarzen Körpers“ untersuchte. Ein schwarzer Körper ist ein Modell für zum Beispiel unsere Sonne oder die Glühwendel einer Glühlampe. Doch selbst für solche (vermeintlich) einfachen Objekte konnte man damals die beobachteten Emissionsspektren nicht erklären. Ein Emissionsspektrum beschreibt, mit welcher jeweiligen Intensität verschiedene Farben von einem Objekt ausgestrahlt werden.

Planck gelang es, eine Formel zu entwickeln, die diese Spektren wiedergeben konnte. Aber sie basierte auf einer ungeheuerlichen Annahme:

Energie kann nicht kontinuierlich aufgenommen und abgegeben werden, sondern nur in diskreten Paketen—sie ist „quantisiert“.

Akt der Verzweiflung

Mit dieser Entdeckung legte Planck den Grundstein der Quantenphysik. Ironischerweise erkannte er anfangs selbst die Bedeutung seiner Energiequanten nicht und bezeichnete sie als „Akt der Verzweiflung“, hatte er sie doch nur als mathematische Hilfskonstruktion eingeführt.

Albert Einstein gab den mysteriösen Quantenobjekten schließlich eine physikalische Bedeutung. Demnach sind die Energiepakete eine Eigenschaft des abgestrahlten Lichts selbst: Lichtteilchen, später „Photonen“ genannt, transportieren jeweils eine bestimmte Energiemenge.

Sprunghafte Quanten

Die Natur macht also Sprünge, zumindest auf atomarer Ebene—diese Idee stand im Gegensatz zu allen bisherigen Theorien. Kein Wunder also, dass die Quantenphysik sich in ihren Anfängen starker Kritik aussetzen musste.

Doch nicht jeder ließ sich von dieser neuen Sichtweise auf die Welt abschrecken. Einen entscheidenden Schritt machte Niels Bohr, als er die Grundgedanken der Quantenphysik in seiner Beschreibung von Atomen, den winzigen Bausteinen unseres Universums, heranzog.

In Bohrs Atommodell umkreisen die negativ geladenen, leichten Elektronen auf festen Bahnen einen positiv geladenen und schweren Atomkern. Obwohl dieses Modell seine Schwachstellen hat und es inzwischen bessere Beschreibungen gibt, konnten damit Beobachtungen erklärt werden, an denen die klassische Physik zuvor gescheitert war.

Ein Elektron ist keine Billardkugel

Auf ähnliche Weise geschah es in den folgenden Jahrzehnten immer wieder: Phänomene, die sich klassisch nicht beschreiben ließen, machten aus der Perspektive der Quantenphysik plötzlich Sinn. 

Quantenobjekte, zum Beispiel Atome oder Elektronen, verhalten sich demnach gänzlich anders als makroskopische Objekte – also größere wie unser Körper oder ein Ball – die sich jeweils aus einer gewaltigen Zahl kleiner Teilchen zusammensetzen. Ein Beispiel: Wenn wir detaillierte Informationen über den Ort und die Geschwindigkeit einer Billardkugel hätten, könnten wir prinzipiell genau vorhersagen, an welcher Stelle die Kugel stoppt und ob wir einlochen. In der Praxis misst das natürlich keiner so präzise, aber theoretisch wäre es möglich—ganz im Gegenteil zur Messung an einem Quantenobjekt.

Selbst wenn wir Ort und Geschwindigkeit eines Elektrons genau bestimmen wollen, können wir das niemals umsetzen. Je genauer wir den Ort kennen, umso ungenauer wird unsere Kenntnis über die Geschwindigkeit (und umgekehrt), das besagt die Heisenbergsche Unschärferelation.

An mehreren Orten gleichzeitig

Man muss sich also bei Quantenobjekten von der Vorstellung verabschieden, dass Teilchen sich auf fest definierten Bahnen bewegen (das ist übrigens eine Problematik des Bohrschen Atommodells). Eine genaue Vorhersage darüber, wo sich ein Elektron befinden wird, ist daher nicht möglich und stattdessen können nur Aussagen über Aufenthaltswahrscheinlichkeiten getroffen werden. Das Elektron existiert also als eine Art verschmierte Wolke über mehrere Orte verteilt. Erst durch eine Messung „entscheidet“ das Elektron per Zufallsprinzip über seinen Standort.

Halten sich gerne bedeckt: Quanten!

Klingt komisch? Dass sich uns bei solchen Ideen zunächst die Haare sträuben, ist ganz natürlich: Schließlich verhält sich die Welt, wie wir sie täglich erleben, nach den Regeln der klassischen Physik.

Das liegt daran, dass die quantenmechanischen Effekte, die in der mikroskopischen Ebene der Atome auftreten, in unserer makroskopischen Welt vernachlässigt werden können.

Mal zum Vergleich: Das Größenverhältnis eines Atoms zu einer 2-Euro-Münze entspricht in etwa dem von eben jener Münze zur Größe der Erde! Man schaut also von ganz, ganz weiter Entfernung auf diese seltsame, sprunghafte Quantenwelt. Auf diese Distanz wirkt eine Treppe annähernd glatt wie eine Straße, obwohl sie in Wahrheit sehr hohe Stufen hat.

Unser Alltag steckt voll Quantenphysik

Spielt Quantenphysik also keine Rolle in unserem täglichen Leben? Im Gegenteil! Technologien wie LEDs, Solarzellen und Laser konnten nur entwickelt werden, weil sie auf den Erkenntnissen der Quantenphysik basieren. Und weitere Anwendungen wie der Quantencomputer stehen schon in den Startlöchern.

Hinter welchen Technologien die Quantenphysik steckt und welche Ideen im Detail dahinterstehen, darum soll es in dieser Reihe gehen. Bleibt also dran!

Nina Beier

Chefredakteurin der Rubrik „Forschung und Kurioses“

Physikstudentin an der Ludwig-Maximilian-Universität München. Träumt davon, komplexe Wissenschaft für alle verständlich zu machen.

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