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2018 | Buch

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Die zweite Quantenrevolution

Vom Spuk im Mikrokosmos zu neuen Supertechnologien

verfasst von: Dr. Lars Jaeger

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

„Quantenphysik ist bizarr und komisch, und sie widerspricht komplett unserem gesunden Menschenverstand“ oder ganz einfach „Die spinnen, die Physiker“ - so oder ähnlich ist die Wahrnehmung vieler Menschen, wenn es um die Grundtheorie der modernen Physik geht. Die These dieses Buches lautet: „Quantenphysik, so bizarr und abgehoben sie erscheinen mag, ist für unser heutiges Leben die bedeutendste wissenschaftliche Theorie. Und ihr Einfluss ist bei weitem nicht an irgendein Ende gelangt. Da kommt noch einiges auf uns zu!“ Der Autor steigt dabei mitten in unser Alltagsleben ein: Sie wollen mehr über heutige und zukünftige Technologien erfahren? Dann beschäftigen Sie sich mit dem Quantencomputer oder dem Quanteninternet; Technologien, deren erste Prototypen in den letzten Jahren möglich wurden und schon sehr bald unser tägliches Leben bestimmen werden. Das Buch wird Bewusstsein schaffen für die Bedeutung der Quantenphysik heute, dabei werden auch philosophische und weltanschauliche Fragen nicht außer Acht gelassen. Am Schluss wird der Leser den heutigen Stand der Quantenphysik kennen und dabei Antwort auf Fragen finden, die Einstein, Bohr, Heisenberg und andere Physik-Genies des 20. Jahrhunderts noch nicht wussten. Mit diesem Buch erschließen sich ihm nicht nur eine Reihe ganz neuer Technologien, sondern auch die dramatischen Einflüsse der modernen Physik für das Gefüge unserer Weltanschauung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Quantum 2.0 – die zweite technologische Revolution aus der Welt der Quanten

Frontmatter

Kapitel 1. Große Macht

Wie eine Theorie des Mikrokosmos unsere Welt veränderte

Zusammenfassung

Mit drei Problemen fing alles an:

Max Planck konnte sich im Jahr 1900 nicht erklären, dass sogenannte Schwarze Körper Energie nicht in beliebigen Mengen, sondern nur in „Energiepäckchen“ einer bestimmten Größe abstrahlen.

Albert Einstein sah sich 1905 zu der Interpretation gezwungen, dass Licht gleichzeitig Welle und Teilchen ist.

Ernest Rutherford entdeckte 1912 in einem aufsehenerregenden Experiment, dass das Atom aus einem Kern aus Protonen besteht, um den Elektronen herumkreisen; dies ist aber nach den Gesetzen der klassischen Physik gar nicht möglich.

Lars Jaeger

Kapitel 2. Nach unten hin gibt es noch viel Platz

Eine neue Generation von Quantentechnologien

Zusammenfassung

Im Jahr 1959 hielt der Quantenphysiker und spätere Nobelpreisträger Richard Feynman einen bis heute vielzitierten Vortrag, in dem der ausführte, wie zukünftige Technologien auf mikro- und nanoskopischer Ebene (auf Skalen von einem Tausendstel Millimeter bzw. einem Millionstel Millimeter) funktionieren könnten. Sein Titel: „There’s Plenty of Room at the Bottom“ („Nach unten gibt es noch viel Platz“). Feynmans Vision war sehr konkret: Er sagte voraus, dass der Mensch bald in der Lage sein würde, Materie bis auf die Ebene einzelner Atome zu manipulieren.

Lars Jaeger

Kapitel 3. Technologie im Allerkleinsten

Was Nanotechnologie möglich macht

Zusammenfassung

Wir benutzen sie bereits auf vielfache Weise, aber nur die wenigsten wissen es. Die Rede ist von der Nanotechnologie. Neben dem Quantencomputer (Thema des nächsten Kapitels) bietet das Spektrum der Nanotechnologien die aufregendsten zukünftigen technologischen Anwendungen der Quantentheorie.

Lars Jaeger

Kapitel 4. Unfassbar schnell

Vom digitalen Rechner zum Quantencomputer

Zusammenfassung

Jedes Jahr verdoppelt sich die Menge an Daten, die wir Menschen produzieren. Allein 2018 kommen also weltweit so viele Giga-, Tera-, Peta- und Exabytes zusammen wie in der gesamten Menschheitsgeschichte vor 2018. Denn Daten, ihre Erfassung und Weitergabe sind längst nicht mehr nur an feste Computer gebunden.

Lars Jaeger

Quantenwelten – Bizarres im ganz Kleinen

Frontmatter

Kapitel 5. Widersprüchliche Atome

Philosophische Probleme mit den kleinsten Bausteinen der Natur

Zusammenfassung

Zu Beginn seines berühmten Werks Faust macht Goethe klar, was seinen Protagonisten antreibt: die Suche nach Erkenntnis. Die Frage danach, wie die Welt im Innersten „funktioniert“, stellten sich bereits die vorsokratischen Philosophen vor 2500 Jahren. Sie zweifelten als Erste daran, dass sich das Geschehen in ihr mit dem Willen irgendwelcher Götter erklären lässt.

Lars Jaeger

Kapitel 6. Natura facit saltus

Von Quantenhopserei und Teilchen aus dem Nichts

Zusammenfassung

Der Satz Natura non facit saltus (lateinisch für: „Die Natur macht keine Sprünge“) beschreibt eine Grundannahme des abendländischen Denkens: Die Vorgänge in der Natur vollziehen sich nicht sprunghaft und plötzlich, sondern kontinuierlich und vorhersehbar. Eine Eiche wird nicht über Nacht von einem Sämling zum majestätischen Baum, sondern braucht dafür ein paar Jahrzehnte.

Lars Jaeger

Kapitel 7. Tertium datur

Welle und Teilchen zugleich

Zusammenfassung

Mit nahezu monatlicher Frequenz stellten sich in den frühen 1920er-Jahren neue experimentelle Entdeckungen ein. So gelang es dem amerikanischen Physiker Arthur Holly Compton im Jahr 1922 mittels der Streuung von Röntgenstrahlung an Elektronen an der Oberfläche von Kristallen, die für mechanische Teilchen geltenden Stoßgesetze auch für elektromagnetische Strahlung nachzuweisen – eine weitere Bestätigung von Einsteins Photonenhypothese. Andere experimentelle Puzzlesteine passten dagegen ganz und gar nicht in Bild.

Lars Jaeger

Kapitel 8. Sowohl als auch und weder noch

Superposition: Wie Dinge hier und zugleich auch dort sein können

Zusammenfassung

Mit Schrödingers Wellentheorie, Borns Wahrscheinlichkeitsinterpretation und Heisenbergs Unschärferelation ließen sich die Phänomene im Mikrokosmos zuletzt mathematisch exakt berechnen und physikalisch einigermaßen interpretieren. Doch so ganz geheuer war den Physikern die Quantenmechanik nicht. Das lag insbesondere an einer der vielen Eigenheiten von Quantenteilchen, die gänzlich unserer Alltagsintuition zuwiderlaufen: Quantenmechanischen Zuständen können nur noch Wahrscheinlichkeiten zugeordnet werden.

Lars Jaeger

Kapitel 9. Verlust der Identität

Die neue Realitätsvorstellung der Quantenphysik und ihre Konsequenzen

Zusammenfassung

Realität bedeutet im klassischen Sinne, dass die Dinge stets eindeutige, von der Umgebung oder unser Wahrnehmung von ihnen unabhängige Eigenschaften haben. Doch nach der Kopenhagener Deutung besitzen Quantenobjekte weder objektive Eigenschaften noch eine unabhängige Existenz. Was wir Menschen mit unserer begrenzten Vorstellungskraft von ihnen erfassen können, erhalten sie erst durch Wechselwirkung mit ihrer Umgebung.

Lars Jaeger

Von Quantenfeldtheorien zu einer „Theorie von Allem“ – alles Materielle löst sich auf

Frontmatter

Kapitel 10. Negative Energien und der Elektronenspin

Mit der Relativitätstheorie zu einer neuen Quantentheorie

Zusammenfassung

Die Kopenhagener Deutung und die Schrödinger-Gleichung ließen viele Fragen offen. Da waren das Deutungsproblem um die Natur von Quantenteilchen (Welle oder Teilchen?), der Konflikt zwischen Einstein und Bohr um den Kollaps der Wellenfunktion bei der Messung und so einiges mehr. Viel Kopfzerbrechen verursachte aber auch der von Pauli ad hoc ins Spiel gebrachte Elektronenspin.

Lars Jaeger

Kapitel 11. Quantenfeldtheorien

Die Materie löst sich auf

Zusammenfassung

Im Jahr 1930 existierten für Elementarteilchen wie Elektronen gleich zwei Quantentheorien: die nichtrelativistische von Schrödinger und Heisenberg sowie die relativistische von Dirac. Beide beschreiben, wie sich Teilchen auch als Wellen verhalten können. Dagegen gab es noch keine Quantentheorie, die von Wellen bzw. Feldern ausging; die elektromagnetische Feldtheorie war bisher klassisch geblieben. Dies war eine Inkonsistenz, die den theoretischen Physikern kaum behagte. Dazu kam, dass in der Quantenmechanik nach wie vor die klassischen Vorstellungen von Teilchen (mathematisch als Punkt beschrieben) und Welle (mathematisch als Feld beschrieben) verwendet wurden. Der Welle-Teilchen-Dualismus – eigentlich: Feld-Punkt-Dualismus – konnte im Rahmen der Quantenmechanik nie endgültig aufgeklärt werden.

Lars Jaeger

Kapitel 12. Unendlich minus unendlich gleich endlich

Wie die Physiker mit unendlichen Größen im unendlich Kleinen umzugehen lernten

Zusammenfassung

Mit der Quantenfeldtheorie des elektromagnetischen Feldes ließ sich ein weiteres hartnäckiges Problem der klassischen Feldtheorie angehen: die Strahlungsrückwirkung des Elektrons auf sich selbst. Bereits um 1900 waren die Physiker darauf gestoßen, dass ein Elektron bei seiner Bewegung durch ein elektromagnetisches Feld nicht nur passiv den Kräften dieses Feldes ausgesetzt ist, sondern auch selbst ein Feld ausstrahlt, das auf das Elektron selbst zurückwirkt.. Dies brachte Max Abraham und Henri Poincaré dazu, von einer „elektronischen Selbstenergie“ zu sprechen.

Lars Jaeger

Kapitel 13. Immer mehr Teilchen

Vom Teilchenzoo zum Standardmodell der Elementarteilchenphysik

Zusammenfassung

Im Allgemeinen gelten Physiker als nüchterne Zeitgenossen. Nur in Ausnahmesituationen erlebt man bei ihnen kollektive emotionale Ausbrüche. Der 4. Juli 2012 war eine solche Sternstunde: An diesem Tag gab das Europäische Kernforschungszentrum CERN, Sitz des größten und mächtigsten Teilchenbeschleunigers der Welt, des Large Hadron Collider (LHC), bekannt, man habe dort das jahrzehntelang gesuchte Higgs-Boson gefunden, das letzte fehlende Glied im Standardmodell der Teilchenphysik. Es knallten die Sektkorken, und ausnahmsweise dominierte einmal die Physik die Schlagzeilen der Weltpresse.

Lars Jaeger

Kapitel 14. Einstein passt nicht rein

Das fundamentale Problem der heutigen Physik

Zusammenfassung

Das Weltbild des modernen Physik beruht auf zwei fundamentalen Theorien: der Quantenfeldtheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die eine beschreibt die atomare und subatomare Welt des Mikrokosmos, die andere den Makrokosmos der Galaxien und das Universum als Ganzes. Überschneidungen zwischen diesen Theorien der extrem großen und der extrem kleinen Größenskala gibt es scheinbar nicht.

Lars Jaeger

Einschnitte ins philosophische, ästhetische und spirituelle Denken

Frontmatter

Kapitel 15. Der Weg in die Substanzlosigkeit

Der Bruch mit 2600 Jahren Philosophiegeschichte

Zusammenfassung

Zweihundert Jahre lang, von ca. 1700 bis 1900, ließen sich klassische Physik und klassische Philosophie kaum voneinander trennen. Die Physik kam ohne wohldefinierte philosophische Basis nicht aus, und Naturwissenschaftler waren ganz selbstverständlich Teilnehmer der philosophischen Debatten.

Lars Jaeger

Kapitel 16. Das neue Wahrheitsverständnis

Wie mit der Quantenphysik die absolute Realität und mit ihr die absolute Wahrheit verschwand

Zusammenfassung

Das vorangegangene Kapitel hat gezeigt, dass die Quantenphysik der Auslöser dafür war, dass der traditionelle philosophische Substanzbegriff seine Bedeutung verlor. Sie war aber auch Ausgangspunkt für einen weiteren dramatischen Wandel im Selbstverständnis der Physik: für das Verschwinden jeglichen absoluten und zeitlosen Wahrheitsanspruchs. Dieses Kapitel beschäftigt sich damit, warum der Verlust der Substanz zu einem Verlust der objektiven Bestimmtheit führt – und damit die traditionelle Vorstellung von einer letzten, absoluten Wahrheit über die Natur untergräbt.

Lars Jaeger

Kapitel 17. Das ewige Wechselspiel

Überraschende Schnittmengen zwischen Quantenphysik und Buddhismus

Zusammenfassung

Die letzten beiden Kapitel haben gezeigt: Die grundsätzliche Unterscheidung von Subjekt und Objekt in zwei separate Sphären – so selbstverständlich sie uns auch erscheinen mag – bedeutet eine philosophische Schwachstelle der klassischen Physik. Unter anderem ergibt sich aus ihr ein Realitätsanspruch, der spätestens mit den Erkenntnissen der Quantenphysik nicht mehr uneingeschränkt zu halten ist. Doch auch schon lange bevor die Physiker erste Schritte in die Welt der Quanten unternahmen, beanstandeten Vertreter diverser spiritueller Denktraditionen die strikte Einteilung der Welt in beobachtendes Subjekt und beobachtetes Objekt.

Lars Jaeger

Kapitel 18. Symmetrien

Schönheit im Haus der Physik

Zusammenfassung

Seit Menschengedenken fragen Philosophen, spirituelle Denktraditionen und auch Wissenschaftler nach der wahren und letzten Natur der Dinge. Albert Einstein nannte das dabei auftretende Gefühl des Geheimnisvollen.

Lars Jaeger

Kapitel 19. Quantenbewusstsein und das Tao der Physik

Von Quantenholismus, Quantenheilung und anderem Quantenquatsch

Zusammenfassung

Trotz ihrer aufregenden philosophischen und technologischen Implikationen wird die Quantentheorie erst so richtig verständlich in einer Sprache, die die meisten Menschen wenig schätzen und noch weniger beherrschen: Mathematik. Ohne einige Jahre Mathestudium kommt man bei ihr leider nicht allzu weit (oder besser gesagt: tief). Dies führt dazu, dass die Theorie, die die klassische Physik vom Thron stieß, eine ganze Metaphysik zerbrechen ließ und damit 2600 Jahre Philosophiegeschichte relativierte, für Nichtphysiker im allerletzten Detail nur schwer zu begreifen ist.

Lars Jaeger

Kapitel 20. Quantenphysik und Glauben

Das Unerklärliche erklären

Zusammenfassung

Was waren die Pioniere der Quantentheorie eigentlich für Menschen? Hatten sie sich ausschließlich der wissenschaftlichen Methode und Rationalität verschrieben und waren so weltfremd wie ein Sheldon Cooper aus der Big Bang Theory? Nein, ganz im Gegenteil: Die vielen Quellen beweisen, dass gerade die intensive Arbeit an der Quantentheorie eine umfassende Auseinandersetzung mit weltanschaulichen Fragen erforderte, darunter religiöse.

Lars Jaeger

Verschränkung – des Quanten-Pudels Kern

Frontmatter

Kapitel 21. Katzenschicksale

Das quantenphysikalische Messproblem

Zusammenfassung

Erwin Schrödinger schrieb 1935 einen Aufsatz, der in der Gemeinschaft der Physiker- für Furore sorgte. Sein Titel lautete: Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik. Darin fragte Schrödinger: Was messen wir eigentlich in Quantensystemen?

Lars Jaeger

Kapitel 22. Wigners Freund

Quantenphysik und Bewusstsein

Zusammenfassung

Ein als „Wigners Freund“ bezeichnetes Gedankenexperiment verdeutlicht, wie weit das Spiel mit Schrödingers Katze getrieben werden kann. Es stammt vom ungarisch-amerikanischen Physiker Eugene Wigner, der sich mit den mathematischen und theoretischen Grundlagen der Quantenphysik beschäftigte – und deswegen auch intensiv mit dem Messproblem.

Lars Jaeger

Kapitel 23. EPR und die verborgenen Variablen

Die Diskussion um eine spukhafte Fernwirkung

Zusammenfassung

Der Artikel, in dem Schrödinger 1935 sein berühmt gewordenes Gedankenexperiment mit der Katze und auch den Begriff der Verschränkung einführte, kam nicht aus dem Nichts. Er war die direkte Antwort auf die nicht weniger bedeutende Schrift Albert Einsteins und seiner amerikanischen Assistenten Boris Podolsky und Nathan Rosen aus demselben Jahr: Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? („Kann die quantenmechanische Beschreibung der physikalischen Realität als vollständig erachtet werden?“) So wie der Artikel Schrödingers sollte auch dieser Beitrag Wissenschaftsgeschichte schreiben.

Lars Jaeger

Kapitel 24. Die experimentelle Auflösung der Bohr-Einstein-Debatte

Wie die verschränkten Teilchen ihren Weg aus der Theorie in die Praxis fanden

Zusammenfassung

In den späten 1940er- und frühen 1950er-Jahren gerieten einige amerikanische Physiker ins Visier des reaktionären Senators McCarthy, dessen Wirken Ähnlichkeiten mit der mittelalterlichen Großinquisitoren hatte. Die moderne Ketzerei war der Kommunismus, und wer zu liberalen und linken Ideen neigte, wurde antiamerikanischer Umtriebe verdächtigt. Sogar Robert Oppenheimer, der als Vater der amerikanischen Atombombe wesentlich dazu beigetragen hatte, dass sein Land zur Weltmacht aufgestiegen war, wurde von McCarthy und seinen Gesinnungswächtern verfolgt.

Lars Jaeger

Kapitel 25. Das Zeitalter der Verschränkung

Vom Quantenspuk zur einer neuen Quantenrevolution

Zusammenfassung

Es war wie ein Dammbruch: Sobald in der Grundlagenforschung die Erzeugung, Manipulation und Messung von verschränkten Quantenteilchen Tagesgeschäft geworden war, wurde schnell klar, dass sich diese Kenntnisse auch für ganz neue Technologien einsetzen lassen. In nur wenigen Jahren entwickelte sich aus der exotischen und von der Mainstream-Physik lange nicht ganz für voll genommenen Diskussion um die Natur der Quantenwelt der theoretische Rahmen für eine Vielzahl aufregender neuer Technologien. In den späten 1980er- und 1990er-Jahren gelang es einer neuen Generation von Quantenphysikern, mit immer ausgefeilteren Experimenten und Messungen die ersten konkreten Anwendungen verschränkter Quantenteilchen zu entwickeln.

Lars Jaeger

Kapitel 26. Schrödingers Katze lebt

Der Weg zurück zur klassischen Physik

Zusammenfassung

Eine bedeutende Hürde müssen die Quanteningenieure auf ihrem Weg zu all den aufregenden neuen Technologien jedoch noch überwinden. Denn eine besondere Eigenschaft der Quantenwelt erschwert die Kontrolle verschränkter Quantenzustände beträchtlich: die Dekohärenz. Der Leser mag sich aus Kap. 4 erinnern: Dekohärenz bedeutet, dass ein Quantensystem unweigerlich mit seiner Umgebung in Wechselwirkung tritt, wobei sich die Verschränkung und Superpositionen der Quantenzustände sehr schnell auflösen.

Lars Jaeger

Die Zukunft – Wohin geht es?

Frontmatter

Kapitel 27. Quantenrevolution 2.0

Wenn Nanobots und Quantencomputer Teil unseres Alltags werden

Zusammenfassung

Die vorangegangenen 26 Kapitel haben gezeigt, dass die Quantentheorie den größten wissenschaftlichen Umsturz des 20. Jahrhunderts darstellt. Die Tatsache, dass wir in einer Welt leben, die nur scheinbar real und deterministisch ist, stellt aber auch einen völligen Bruch mit unseren alltäglichen Denkgewohnheiten dar. Noch wissen wir nicht, in welcher Weise diese Erkenntnis sich auf unser zukünftiges Denken auswirken wird.

Lars Jaeger

Backmatter

Titel: Die zweite Quantenrevolution
verfasst von: Dr. Lars Jaeger
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-57519-2
Print ISBN: 978-3-662-57518-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-57519-2