Quantenphysik – Unglaublich aber wahr....         (Text von Timo Griesel -
                                                                                           Physik-Student an der Uni Mainz)

 Nothing is real               (John Lennon)

 Die Welt der Quanten, dass heißt die mikroskopische Welt des Kleinsten, ist genau so rätselhaft wie interessant, genau so unglaublich wie elegant....

In ihr können Dinge geschehen, die wir mit unserem beschränkten Verstand nicht begreifen können. Würden sie einen Quantenphysiker nicht für verrückt halten, wenn er Ihnen erzählen würde, dass es eine (nicht gerade geringe) Wahrscheinlichkeit dafür gibt, dass sich Ihr Geld in seiner Tasche aufhält. Oder, was würden Sie sagen, wenn er Ihnen erklärte, dass es durchaus möglich ist, dass ein Fußball, welcher auf ein leeres Tor geschossen wird, wieder zurück kommt, natürlich ohne das er vom Pfosten oder ähnlichem abprallt. Sie würden sagen: „Natürlich“ und sich Ihren Teil denken. Doch sind dies alles Dinge, die in der Welt der Quanten einfach normal sind.

Sie fragen sich jetzt, bestimmt gibt es auch Menschen, die sich in dieser Welt der kleinsten Teilchen auskennen ?  Sicher! Oder wie sonst glauben Sie erwirtschaften die Vereinigten Staaten 30% ihres Bruttosozialproduktes? Fernsehen, Computer, Handys, nahezu alles funktioniert mit Hilfe der Quantenphysik. Die Quantenphysik ist es, die der Menschheit in den letzten hundert Jahren einen schnellen Fortschritt beschert hat. Das theoretische Gerüst dieser Quantenphysik wurde nicht wie die klassische Mechanik (welche Jahrhunderte lang als das Paradestück derPhysiker galt) in mühevoller Kleinstarbeit über ein Jahrhundert entwickelt. Nein, sie wurde in nur einem Jahrzehnt erdacht. Weltberühmte Physiker in der Zeit der Jahrhundertwende fanden die Quantenphysik so verrückt, dass sie ihr bis zu ihrem Tode nicht glaubten; einer ihrer bekannten Gegner war Albert Einstein.

Das Problem der Quantenphysik ist, dass sie nicht so populär ist wie andere Theorien. Würde man die Bücher, welche einem Laien versuchen die Relativitätstheorie zu erklären, aneinander reihen, so würden sie möglicherweise bis zum Mond reichen. Würde man die Bücher, welche dem Laien versuchen die Quantenphysik zu erklären, aneinander reihen, so würden sie sicherlich noch nicht einmal für ein Regal reichen. Dabei ist sie nicht weniger unverständlich.

Alles begann so um die Jahrhundertwende, als Max Planck die „ Schwarzkörper “-Strahlung versuchte zu erklären. Gewisse Abweichungen in seinem vorherberechnetem Spektrum führten ihn zu dem Schluss, dass Energie nicht kontinuierlich abgegeben wird, sondern in kleinen diskreten „Paketen“, welche er Quanten nannte. Dieser Ansatz wurde für so unglaubwürdig empfunden, dass selbst seine Doktoranden über ihn sagten:„ Er will kontinuierlich essen und diskret Schei...“. Doch Planck brachte den Stein ins Rollen, ständig wurden neue Theorien und Erklärungen publiziert, die schlausten Köpfe seiner Zeit (Bohr,Schrödinger, Heisenberg, Born, Sommerfeld und viele Andere) brüteten über einer einheitlichen Lösung. Eine Aufspaltung in zwei Lager bewirkte dann Werner Heisenberg mit seiner weltberühmten Unschärferelation. Diese besagt, dass man Ort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig beliebig genau messen kann. Man kann nur eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit angeben. Dies stand in so großem Widerspruch zur klassischen Theorie, dass viele nun die Quantentheorie als Humbug abtaten.

Dem Laien wird an dieser Stelle nicht bewusst, was es bedeutet, einen Ort und einen Impuls nicht gleichzeitig genau messen zu können. Na ja, eigentlich ist das nicht schwer zu verstehen. Man kann eben nicht gleichzeitig genau feststellen wo etwas liegt, und welche Geschwindigkeit es besitzt. Man kann sagen es könnte dort sein mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit oder eben mit einer etwas kleineren dort. Zugegeben, das ist etwas ungewöhnlich. Wenn Sie ein Glas Wasser auf den Küchentisch stellen, dann steht es da und wenn es keiner abräumt steht es auch eine halbe Stunde später noch genau am gleichen Punkt. Das dies ein paar helle Köpfe nicht glauben wollten ist doch verständlich, oder? Das ganze wurde noch durch einen anderen wahnwitzigen Versuch getoppt. Das Experiment am Doppelspalt, welches zeigt, dass sich Teilchen auch wie eine elektromagnetische Welle verhalten (Welle-Teilchen Dualismus), d.h. ganz grob gesagt einmal wie eine harte Billardkugel und einmal wie ein masseloses Gedankengebilde. Unglaublich, oder? Ist aber so ! Schnell war das klassische, streng deterministische Weltbild der Physik ins Wanken gekommen und Max Planck (dem 1874 vom Physikstudium abgeraten mit der Begründung wurde: In der Physik ist alles erforscht und es gibt nur noch wenige Lücken zu füllen) war gewissermaßen der Auslöser des ganzen Übels.

Um diesem Streit ein Ende zu machen trafen sich die besten Physiker der Welt in Kopenhagen, um die neue Quantentheorie zu deuten. Dieses Treffen brachte ein paar interessante Gedankenexperimente zu Tage, dass bekannteste von allen ist wohl das von Schrödingers Katze.

Was war denn nun mit Schrödingers Katze? Erwin Schrödinger von der Universität Zürich erdachte folgendes Gedankenexperiment (Solch ein Experiment wurde natürlich nie ausgeführt!): Eine lebendige Katze wird mit einem beliebigen Tötungsmechanismus in einen Kasten gesperrt. Der Tötungsmechanismus wird durch den Zerfall eines radioaktiven Atoms ausgelöst. Öffnet man den Kasten soll die Katze tot sein. Für eine Anzahl von mehreren Atomen kann man eine Halbwertszeit angeben, in der die Hälfte aller Atome zerfällt. Aber sichtbare Mengen an Atomen repräsentieren immerhin etwa 10¹⁸ Atome (eine 1 mit 18 Nullen!) Wann jedoch ein einzelnes Teilchen genau zerfällt, kann man nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit sagen. Nun stelle man sich diese große Kiste vor, in ihr die besagten Dinge und man kann nicht herein sehen, wie weiß ich jetzt ob die Katze lebt oder tot ist ? Ich weiß es nicht! Ich kann nicht sagen ob sie noch lebt oder schon tot ist! Die Katze nimmt also einen „Wahrscheinlich toten“ und einen „Wahrscheinlichen lebenden“ Zustand an. Aber nun das Paradoxe an dieser Sache, ein bisschen Tod ist eben nicht möglich. Entweder ist man tot oder man lebt, aber bestimmt nicht beides! Der Quantenphysiker behauptet dies jedoch und ordnet der Katze Wahrscheinlichkeiten über ihren Zustand zu. Die Katze nimmt einen bestimmten Zustand an und wenn dieser eben halbtot oder so ist, dann hat die Katze diesen eben. Das dies real nicht so ist, kann ja sein, aber nach den Regeln der Quantenmechanik kann man eben nicht genau bestimmen, ob die Katze nun lebt oder nicht. Sind Sie nun etwas verwirrt ?

War ich auch! Doch diesen Apparat richtig zu verstehen ist wohl nur wenigen vergönnt. Dem Laien dies glaubhaft und verständlich näher zu bringen ist schwierig, zumal nur wenige behaupten können, dass sie diesen ganzen Kram wirklich verstanden haben. Die praktische Anwendung  dieser Ideen  mit der zugrunde liegenden Wahrheit und Schönheit hat ungefähr soviel wie Boeing fliegen und Drachensteigen gemein. Schnell hat man ein für den Laien schönes Buch gelesen, mit vielen schönen Erklärungen (welche auch oft den Physikern helfen) und denkt, dass man  nun die  Welt der Quanten verstanden habe, doch täglich bringen die Physiker neue Phänomene ans Tageslicht, unglaubliche Dinge wie zum Beispiel flüssiges Helium, welches ab einer gewissen Temperatur die Wand hinauf kriecht (fließt) statt herunter. Es gibt noch viele unglaubliche Dinge, doch diese Dinge, die scheinbar nicht real möglich sind, Dinge die oftmals noch nicht mal richtig erklärt werden können, sind es, die sich die moderne Technik zu nutzen macht. Worte wie Quantencomputer oder Ähnliches sind in aller Munde, doch was es bedeutet in die Welt der Quanten zu schauen, wissen nur sehr wenige.

Falls Sie nun etwas Interesse bekommen haben und eventuell einen kleinen Einblick (sicherlich einen viel besseren wie ich ihn je geben kann) bekommen wollen, möchte ich Ihnen noch ein paar Bücher ans Herz legen:

John Gribbin „ Auf der Suche nach Schrödingers Katze - Quantenphysik und Wirklichkeit “ Piper Verlag

Toney Hey & Patrick Walters „ Das Quantenuniversum – Die Welt der Wellen und Teilchen “ Spektrum Verlag

Wer die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie verstehen will, der muss sich viel mit mathematischen Ableitungen “herumquällen”. Wir versuchen hier einen weniger mathematischen Zugang, jedoch sollten wir uns um die Begriffe kümmern, die in der Fachsprache benutzt werden:

Michael Hartwig, Komplexe Integration
Andreas Slateff, Tensoren
Michael Hartwig, Laplacetransformation und Faltung
Hendrik van Hees, Differentialgeometrie und Physik
Horst Laschinsky, Gewöhnliche Differentialgleichungen am Beispiel des harmonischen Oszillators
 

• Erstmal nur als Link eine Liste interessanter Beiträge zur nichtrelativistischen Quantenmechanik

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of Nuclear Chemisty