50 Schlüsselideen Quantenphysik

In der Geschichte der Quantenphysik gibt es so viele unerwartete Wendungen, wie es in ihr seltsame Phänomene gibt. Viele einfallsreiche Charaktere – von Albert Einstein bis Richard Feynman – haben sich im Laufe der letzten hundert Jahre Gedanken über das Innere von Atomen und die Natur der in ihnen herrschenden Kräfte gemacht. Doch die Physik hat sogar ihre kühnsten Vorstellungen übertroffen.

Energie treibt Bewegungen und Veränderungen an. Sie ist eine Gestaltwandlerin, die viele Formen annehmen kann, angefangen bei der Hitze, die von brennendem Holz abgegeben wird, bis hin zur Fließgeschwindigkeit von Wasser, das immer schneller den Hügel hinabrauscht. Energie kann zwar von einer Art zur nächsten wechseln, aber niemals erzeugt oder vernichtet werden. Insgesamt bleibt sie immer erhalten.

Der deutsche Physiker Max Planck löste das Problem, warum Kohlen rot und nicht blau glühen und gab damit den Startschuss für eine Revolution, die zur Geburt der Quantenphysik führte. Als er versuchte, mit seinen Gleichungen sowohl Licht als auch Wärme zu beschreiben, kam er auf die Idee, Energie in kleine Pakete, oder Quanten, aufzuteilen. Auf diese Weise konnte er erklären, warum heiße Körper so wenig ultraviolette Strahlung abgeben.

Licht ist eine elektromagnetische Welle. Abgesehen vom vertrauten Spektrum des sichtbaren Lichts gibt es elektromagnetische Schwingungen in einem Bereich, der von den Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen reicht. Inzwischen weiß man, dass im Elektromagnetismus die Elektrizität und der Magnetismus in einer Fundamentalkraft vereint sind. Im Wesentlichen war diese Erkenntnis sowohl ein Auslöser für die Relativitätstheorie als auch für die Quantenphysik.

Wenn ein Lichtstrahl geteilt und nach unterschiedlichen Laufwegen wieder vereint wird, können sich wie bei Wasserwellen seine Signale verstärken oder auslöschen: Wo die Maxima zusammentreffen, erscheinen helle Streifen, wo Wellental auf Wellenberg trifft, bleibt es dunkel. Dieses Verhalten, das Interferenz genannt wird, beweist, dass sich Licht wie eine Welle verhält.

Bemerkenswerterweise breitet sich Licht immer mit der gleichen Geschwindigkeit aus, ganz gleich, ob es von einer Lampe auf einem Fahrrad, einem ICE oder einem Überschallflugzeug abgestrahlt wird. Albert Einstein zeigte 1905, dass nichts schneller sein kann als das Licht. Raum und Zeit werden verzerrt, wenn man sich dieser universellen Geschwindigkeitsgrenze nähert. In ihrer Nähe werden Objekte schwerer und kürzer, und die Zeit läuft langsamer ab.

Eine Reihe verwirrender Experimenten zeigte im 19. Jahrhundert, dass die Wellentheorie des Lichts nicht richtig sein konnte oder zumindest nicht vollständig war. Bestrahlte man eine Metalloberfläche mit Licht, setzte es Elektronen frei, deren Energien nur erklärt werden konnten, wenn Licht aus einzelnen kugelartigen Photonen und nicht aus Wellen bestand.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts brach die Vorstellung zusammen, dass Licht und Elektrizität in Form von Wellen übertragen werde und dass feste Materie aus einzelnen Teilchen bestehe. Experimente wiesen nach, dass Elektronen genau wie Photonen Beugung und Interferenzen erfahren können – so wie Wellen. Wellen und Teilchen sind zwei Seiten derselben Medaille.

Ende des 19. Jahrhunderts begannen Physiker in das Atom einzudringen. Zuerst entdeckten sie die Elektronen, dann den harten Kern aus Protonen und Neutronen. Um erklären zu können, wodurch der Kern zusammenhielt, führten sie eine neue Elementarkraft ein, die starke Wechselwirkung.

Elektronen umkreisen den Kern auf Schalen mit unterschiedlichen Energien wie Planeten die Sonne. Niels Bohr entwickelte die Vorstellung, dass Elektronen zwischen diesen Schalen springen können und dabei Licht mit der entsprechenden Energiedifferenz abstrahlen oder absorbieren. Diese Sprünge kennt man heute als Quantensprünge.

Ein Atom kann Licht absorbieren oder abstrahlen, wenn eines seiner Elektronen von einer Schale auf eine andere springt. Weil die Elektronenschalen genau definierte Energien haben, hat das Licht nur ganz bestimmte Frequenzen und erscheint deshalb, wenn es durch ein Gitter oder ein Prisma zerlegt wird, als eine Reihe von Streifen.

Wenn man Spektrallinien genauer unter die Lupe nimmt, findet man noch feinere Strukturen. In den 1920er-Jahren zeigten Experimente, dass die Ursache dafür in einer ungewöhnlichen Eigenschaft der Elektronen liegt, ihrem Spin. Elektronen verhalten sich wie geladene Kugeln, die sich drehen, deshalb verändern Wechselwirkungen mit magnetischen oder elektrischen Feldern ihre Energiezustände ein wenig.

Keine zwei Elektronen können gleich sein. Das Pauli-Prinzip bringt zum Ausdruck, dass jedes eine einmalige Kombination von Quanteneigenschaften haben muss, sodass man sie auseinanderhalten kann. Es zeigte sich, dass dies erklären kann, warum Atome in ihren Schalen eine bestimmte Zahl von Elektronen haben können, warum das Periodensystem der Elemente aufgebaut ist, wie wir es kennen, und warum Materie fest ist, obwohl sie doch hauptsächlich aus leerem Raum besteht.

Die Flut von Entdeckungen über Welle-Teilchen-Dualität und die Quanten - eigenschaften des Atoms in den 1920er-Jahren verlangte nach neuen Theorien über das Atom, denn die bestehenden reichten nicht aus die Phänomene zu erklären. Die erste Vorlage kam vom deutschen Physiker Werner Heisenberg, der mit den Elektronenorbits aufräumte und alle beobachteten Variablen in einer Reihe von auf Matrizen basierten Gleichungen zusammenführte.

1926 gelang es Erwin Schrödinger, die Energien der Elektronen in Atomen zu beschreiben, indem er sie nicht als Teilchen, sondern als Wellen behandelte. Seine Gleichung berechnet eine Wellenfunktion, die die Wahrscheinlichkeit angibt, dass sich das Elektron zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort befindet. Sie ist eine der wichtigsten Grundlagen der Quantenmechanik

1927 erkannte Werner Heisenberg, dass einige Eigenschaften der atomaren Welt von Natur aus unbestimmt sind. Wenn man den Aufenthaltsort eines Teilchens genau kennt, kann man nicht gleichzeitig wissen, wie groß sein Impuls ist. Wenn man genau weiß, zu welcher Zeit ein Teilchen etwas getan hat, lässt sich nichts über seine Energie aussagen, die es dabei hatte.

1927 versuchte der dänische Physiker Niels Bohr die physikalische Bedeutung der Quantenmechanik zu erklären. In der heute als Kopenhagener Deutung bezeichneten Interpretation verband er Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation mit Schrödingers Wellengleichung, um zu erklären, warum aus der Messung eines Beobachters folgt, dass es Dinge gibt, die wir niemals wissen können.

Um zu zeigen, wie lächerlich die Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik war, formulierte Schrödinger ein Gedankenexperiment mit einer Katze, die eine bestimmte Zeit lang mit einer zerbrechlichen Viole tödlichen Gifts in einer Kiste eingesperrt war. Er fand, es sei nicht sinnvoll, sich ein lebendes Tier als Wahrscheinlichkeitswolke vorzustellen, nur weil wir nicht wissen, was passiert.

1935 formulierten drei Physiker – Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen – ein Paradoxon, das die quantenmechanischen Interpretationen infrage stellte. Der Umstand, dass eine Quanteninformation anscheinend schneller als Licht sein müsste, schien ein gewichtiges Argument gegen die Vorstellung des Kollapses von Wellenfunktionen zu sein.

Die Radioaktivität kann nur mithilfe der Quantenmechanik erklärt werden. Ein Alphateilchen benötigt ziemlich viel Energie, um der starken Anziehung des Kerns zu entkommen, aber weil es eine kleine Wahrscheinlichkeit dafür gibt, dass das Teilchen die Energiebarriere überwinden kann, wird es ihm irgendwann gelingen. Dies ist der Tunneleffekt.

Kurz nachdem das Neutron entdeckt worden war, begannen Physiker damit große Atome damit zu beschießen, weil sie hofften, so neue Isotope und Elemente erzeugen zu können. Stattdessen brachen die Kerne auseinander. Die dabei freiwerdende Energie ließ die Kernspaltung als neue Energiequelle und für den Bau von Atombomben interessant werden.

Die meisten Elementarteilchen haben einen spiegelsymmetrischen Zwilling. Diese Antimaterieteilchen haben entgegengesetzte Ladung, aber die gleich Masse wie ihre „normale“ Form. Ein Positron ist zum Beispiel die positiv geladene Version des Elektrons. Der größte Teil des Universums besteht aus Materie. Wenn Materie auf Antimaterie trifft, zerstrahlen beide in einem Blitz aus Energie.

Wenn Licht und elektromagnetische Wellen durch Photonen übertragen werden, dann, so ist der Ansatz der Quantenfeldtheorie, müssen alle Felder durch Teilchen übertragen werden. Diese Theorie setzt voraus, dass Teilchen desselben Typs nicht unterscheidbar sind, dass bei Wechselwirkungen Teilchen emittiert und absorbiert werden und dass Antimaterie wirklich existiert.

Wie sieht ein Elektron aus? Eine Antwort aus den späten 1940er-Jahren auf diese Frage erlaubte es Physikern, ein Problem zu lösen, das es mit der Mathematik gab, die die quantenmechanische Sichtweise des Elektromagnetismus beschrieb. Das Elektron wird durch Wechselwirkungen mit Feldteilchen verschmiert, deshalb scheint es eine Ausdehnung zu haben.

Nach Richard Feynman, einem ihrer Gründerväter, ist die Quantenelektrodynamik (QED) das „Juwel der Physik“. Sie ist wahrscheinlich die genaueste physikalische Theorie, die man kennt, und hat den Physikern geholfen, das Verhalten der Elektronen, Photonen und der elektromagnetischen Vorgänge außerordentlich gut zu verstehen.

Instabile Kerne zerfallen manchmal, indem sie Energie in Form von Teilchen abgeben. Der Betazerfall tritt auf, wenn sich ein Neutron in ein Proton umwandelt und dabei ein Elektron und eine Antineutrino emittiert. Enrico Fermis Theorie des Betazerfalls von 1934 gilt immer noch. Sie bereitete den Weg für die Forschungen zur schwachen Kernkraft, die eine wichtige Bedeutung bei der Fusion von Wasserstoff zu Helium in der Sonne hat.

Die schwächste der Elementarkräfte, die schwache Wechselwirkung, steuert den Zerfall von Neutronen zu Protonen und wirkt auf alle Fermionen. Eine ihrer seltsamen Eigenschaften ist, dass sie nicht spiegelsymmetrisch ist – das Universum ist „linkshändig“.

Als er versuchte, die Vielfalt der Elementarteilchen zu erklären, entdeckte Murray Gell-Mann Muster, die erklärt werden konnten, wenn die Teilchen aus drei grundlegenderen Bausteinen aufgebaut sind. Inspiriert durch einen Roman von James Joyce nannte er sie Quarks. Innerhalb eines Jahrzehnts konnte nachgewiesen werden, dass es die Quarks tatsächlich gibt.

Eine Reihe von Experimenten, die Ende der 1960er-Jahre in Kalifornien durchgeführt wurden, bestätigte das Quark-Modell des Protons und anderer Hadronen. Physiker zeigten, dass Elektronen, die sie mit hoher Energie auf Protonen geschossen haben, sehr stark zurückgeworfen wurden, wenn sie drei Punkte innerhalb des Nukleons trafen und dass die Quarks Bruchteile der Elementarladung tragen.

Nachdem die Quark-Theorie bestätigt worden war, begann die Suche nach einer vollständigeren Erklärung der starken Wechselwirkung, die das Verhalten von Protonen und Neutronen im Kern bestimmt. Die Quantenchromodynamik (QCD) beschreibt, dass auf Quarks eine „Farbkraft“ wirkt, die von Gluonen übertragen wird.

Einen komplexen Stammbaum für mehr als 60 Elementarteilchen und 20 Quantenparameter zusammenzusetzen war eine große Leistung. Muster wiesen auf die zugrunde liegenden Naturgesetze hin, dennoch könnte es sein, dass man zum Standardmodell der Teilchenphysik noch weitere Bausteine wird ergänzen müssen.

Die Physik ist voller Symmetrien. Die Naturgesetze ändern sich nicht, ganz egal, wo man sie misst. Symmetrien sind Bestandteil der meisten physikalischen Theorien und gelten für alle Teilchen im Universum. Aber manchmal werden diese Symmetrien gebrochen, woraus bestimmte Teilchenmassen oder -händigkeiten folgen.

Warum sind manche Teilchen schwerer als andere? Das Higgs-Boson wurde 1964 von Peter Higgs als Möglichkeit postuliert, Teilchen eine Trägheit zu verleihen. Es zieht an den Wechselwirkungsteilchen wie dem W- und Z-Bosonen und bricht die Symmetrie zwischen schwacher und elektro - magnetischer Kraft.

Sehr elegant finden manche Physiker das Standardmodell nicht gerade, deshalb haben sie sich auf die Suche nach einer grundlegenderen Theorie der Teilchen und Kräfte gemacht. Die Supersymmetrie nimmt an, dass jedes Teilchen einen supersymmetrischen Partner besitzt, der abgesehen von seinem Quantenspin gleich ist. Genau wie die Antimaterie erleichtern diese neuen Teilchen die Lösung der quantenmechanischen Feldgleichungen und machen sie flexibler.

Das große Ziel einer Theorie für alle vier Elementarkräfte ist immer noch nicht in Sicht, aber die Hoffnung, die Quantentheorie und die allgemeine Relativitätstheorie verschmelzen zu können, haben die Physiker natürlich trotzdem noch nicht aufgegeben. In einer derartigen Theorie der noch zu entwickelnden Quantengravitation könnte der Raum vielleicht ein Gewebe aus winzigen miteinander verknüpften Schleifen sein.

Schwarze Löcher sind trichterförmige Singularitäten in der Raumzeit, die so tief sind, dass ihnen nicht einmal Licht entkommen kann, es sei denn, die quantenmechanische Unbestimmtheit erlaubt es. Stephen Hawking schlug vor, dass schwarze Löcher Teilchen emittieren könnten – und Information – die letztendlich dazu führen, dass sie schrumpfen.

Das Universum hat mit einer sehr hohen Energie auf kleinstem Raum begonnen, deshalb müssen auch noch Spuren davon in seinen großräumigen Eigenschaften zu finden sein. Die geheimnisvolle dunkle Materie und die dunkle Energie könnten von exotischen Teilchen und Quantenfluktuationen im Vakuum des leeren Raumes stammen. Und auch die kosmische Inflation könnte auf Quanteneffekten beruht haben.

Die Stringtheorie versucht in einer modernen Version der Welle-Teilchen-Dualität Elementarteilchen als eine Art harmonische Schwingungen einer Saite zu beschreiben. Das Endziel ist die Vereinigung von Quantenphysik und Relativitätstheorie und somit die Erklärung aller vier Elementarkräfte in einem einzigen theoretischen Rahmen.

Die Kopenhagener Deutung macht bei einer Messung den Kollaps von Wellenfunktionen erforderlich; dies hielten viele Physiker für nicht realistisch. Hugh Everett III fand in den 1950er-Jahren einen Weg, der dies umging. Er schlug vor, dass sich das Universum aufspaltet, wenn ein Quantenereignis stattfindet.

Manche Physiker, wie Albert Einstein, konnten sich ganz und gar nicht mit der Tatsache anfreunden, dass die Quantenwelt nur durch Wahrscheinlichkeiten beschrieben wird. Wie können Ursache und Wirkung überhaupt noch erklärt werden, wenn doch alles nur auf Zufall beruht? Ein Ausweg ist die Annahme, dass Quantensysteme vollständig festgelegt sind, dass es aber verborgene Variablen gibt, die wir noch nicht kennen.

1964 packte John Bell den Unterschied zwischen Quanten- und Verborgene-Variablen-Theorien in Gleichungen. Er zeigte, dass sich Zusammenhänge zwischen Teilchen unterschiedlich verhalten, wenn sie von Anfang an bestehen oder sich aufgrund einer Messung formen.

In den 1970er- und 1980er-Jahren wurden Experimente durchgeführt, um die Bellʼschen Ungleichungen zu überprüfen. Sie zeigten, dass es tatsächlich zu einer quantenmechanischen Verschränkung kommt. Jeder Partner eines Teilchenzwillings scheint zu wissen, ob der andere beobachtet wurde, selbst wenn er sehr weit weg ist. Folglich werden Quanteneigenschaften nicht ein für alle Mal gespeichert, sondern sind quervernetzt und reagieren auf einander.

Varianten des Doppelspaltexperiments von Young verleihen uns Einblicke in die Welle-Teilchen-Dualität. Zu Interferenzeffekten kommt es nur, wenn Photonen korreliert, ihre Wege aber zufällig sind. Sobald ihre Bahnen bekannt sind, verhalten sie sich wie Teilchen und die Interferenzen verschwinden. Dieses Verhalten kann durch Verschränken oder Löschen der Quanteninformation gesteuert werden.

Quantensysteme können leicht mit anderen verschränkt werden, sodass sich ihre Wellenfunktionen verbinden. Ob sie dies in Phase tun oder nicht, bestimmt das Ergebnis. Deshalb können Quanteninformationen leicht verloren gehen und damit auch der Zusammenhang des quantenmechanischen Zustands. Größere Objekte verlieren ihren Zusammenhang schneller als kleinere.

Vielleicht werden eines Tages Quantencomputer die heutigen auf Halbleitern basierenden Technologien ersetzen. Sie wären leistungsfähig genug, um fast jeden Geheimcode zu knacken. Doch bis jetzt existieren nur Prototypen, sie behandeln binäre Daten in Form von Quantenbits, also von Zuständen von Atomen. Da sie auf Grundlage der Quantenmechanik funktionieren und Phänomene wie die Verschränkung benutzen, könnten sie Millionen von Berechnungen gleichzeitig durchführen.

Weil Computer so leistungsfähig geworden sind, dass sie beinahe jeden Code knacken können, werden wir vielleicht bald keine privaten verschlüsselten Nachrichten mehr senden können. Eine wasserdichte Methode ist hingegen, quantenmechanische Unbestimmtheit und Verschränkung für die Nachrichtenverschlüsselung zu verwenden. Jeder Lauscher würde den Quantenzustand verändern und es damit offensichtlich machen, dass jemand versucht hat einzudringen, ja er würde sogar die Nachricht selbst damit zerstören.

In winzigen Stückchen aus Silizium oder anderen Halbleitern, die nur einige Dutzend Atome breit sind, verhalten sich manche Elektronen, als seien sie an das „punktförmige“ Potenzial eines exotischen Atoms gebunden. Deshalb bezeichnet man diese Stückchen als Quantenpunkte. Genau wie ein Wasserstoffatom strahlt, wenn seine Elektronen auf ein tieferes Energie - niveau springen, können Quantenpunkte leuchten. Sie lassen sich aber mit beliebiger Farbe herstellen, weshalb sie als Lichtquellen und Biosensoren interessant sind.

Bei sehr tiefen Temperaturen leiten manche Metalle, Legierungen und Keramiken Strom ohne jeden Widerstand. Ströme könnten Milliarden von Jahren fließen, ohne Energie zu verlieren. Der Grund dafür liegt in der Quantenmechanik. Wenn Elektronen sich zu Paaren verbinden, indem sie das positiv geladene Ionengitter leicht verzerren, können sie sich dauerhaft wie ein einziges Teilchen verhalten, das keine Wechselwirkung zeigt.

Wenn Gruppen aus Bosonen extrem kalt werden, können sie ihren niedrigsten Energiezustand annehmen. Dabei gibt es keine Grenze für die Anzahl der Bosonen, die den gleichen Zustand einnehmen, sodass außergewöhnliche quantenmechanische Verhaltensweisen auftreten, wie Supraflüssigkeit und Interferenzerscheinungen.

Quanteneffekte – wie die Welle-Teilchen-Dualität, Tunneln und Verschränkung – könnten auch in lebenden Organismen eine wichtige Rolle spielen. Durch sie werden chemische Reaktionen erst möglich, sie fokussieren Energie auf chemische Reaktionszentren und helfen Vögeln, den Erdmagnetismus für die Navigation zu verwenden.

Vom freien Willen bis hin zu unserem Zeitgefühl, es gibt Parallelen zwischen der Art und Weise, wie unser Verstand arbeitet, und der Quantentheorie. Viele Physiker machen sich Gedanken darüber, ob es also eine tiefere Verbindung zwischen beiden gibt. Es gibt viele Spekulationen darüber, ob wir zu unserem Bewusstsein durch Quantenvorgänge in den mikroskopischen Strukturen in unserem Gehirn, durch kollabierende Wellenfunktionen oder Verschränkung kommen.