»Was genau meinst du damit?« fragte Niels Bohr fortwährend seinen aufmerksamen und neugierigen 23-jährigen Schüler. Vor hundert Jahren erkundeten der dänische Physiker Niels Bohr und sein Schüler, der deutsche Physiker Werner Heisenberg, stundenlang die Dyrehave und entlang des Øresunds, während sie versuchten, das merkwürdige Verhalten von Atomen zu erklären, das Physiker in Laboren beobachteten.
Zu dieser Zeit glaubten Physiker, dass das Atom wie ein kleines Sonnensystem aufgebaut ist – mit einem dichten Kern in der Mitte und Elektronen, die in einem festen Orbit darum kreisen. Am Ende des 19. Jahrhunderts hatte Max Planck vorgeschlagen, dass Energie in kleinen Paketen existiert. Dies war eine mathematische Idee, die er entwickelte, um seine experimentellen Ergebnisse zu erklären. Albert Einstein erweiterte später diesen Gedanken und argumentierte, dass Licht selbst in Paketen oder »Quanten« kommt.
Mit diesem neuen Blickwinkel nutzte Niels Bohr seine Intuition, um das wahre innere Funktionieren des Atoms zu erkennen. Er war anderer Meinung als die Vorstellung, dass Elektronen wie Planeten um die Sonne kreisen – sie bewegen sich nicht in gleichmäßigen Kreisen. Stattdessen verschwinden sie von einem Energielevel und erscheinen plötzlich auf einem anderen, wobei sie Licht abgeben oder aufnehmen. Zu dieser Zeit erschien diese Idee den Physikern absurd, und es gab keine Theorie, die ein solches Verhalten erklären konnte.
Deshalb setzten Bohr und Heisenberg ihre Diskussionen darüber fort, wie man eine neue Theorie entwickeln könnte, um das merkwürdige Verhalten der Atome zu erklären. Ihre langen Spaziergänge und intensiven Gespräche markierten den Beginn dessen, was wir heute als Quantenmechanik bezeichnen – eine Theorie, die in diesem Jahr 100 Jahre alt wird.
Adventskalender zur Quantenmechanik
Dieser Artikel ist der erste von vier in der Adventskalenderreihe von Videnskab.dk, die das hundertjährige Bestehen der Quantenmechanik feiert. An jedem Sonntag bis Weihnachten werden Wissenschaftler des Niels Bohr Instituts an der Universität Kopenhagen die Leser in die wunderbare und rätselhafte Welt der Quanten einführen. In der Serie kann man unter anderem mehr über die aufregendsten Experimente der Quantenphysik erfahren und über den dänischen Quantencomputer Magne. Außerdem wird ein Wissenschaftler erklären, was Quantenmechanik tatsächlich ist.
Die frühen Jahre der Quantenmechanik
Neben dem Kampf, das mysteriöse Verhalten der Natur zu erklären, hatte Heisenberg auch mit einer starken Pollenallergie zu kämpfen. Deshalb reiste er auf die abgelegene Insel Helgoland in der Nordsee, wo er Ruhe und Konzentration fand. Dort sollte Heisenberg schließlich die Grundlagen einer mathematischen Theorie legen, die die Gesetze der mikroskopischen Welt erklären könnte: eine Quanten Theorie.
»Ich habe einen verrückten Artikel geschrieben«, soll Heisenberg angeblich zu Max Born gesagt haben, seinem Mentor in Göttingen, der half, Heisenbergs neue Idee zu formen. Nur wenige Monate später entwickelten sie die erste Formulierung der neuen Theorie. Heisenbergs ursprüngliche Idee war, die Natur nur mit dem zu beschreiben, was man sehen kann.
Gemäß dieser Sichtweise verfolgt man nicht, wo sich ein Teilchen »wirklich« befindet, sondern arbeitet stattdessen direkt mit dem, was im Labor gemessen werden kann: der Energie des Teilchens, den Lichtfrequenzen, die es abgibt, oder wie es andere Teilchen beeinflusst. Nur die Fakten, die wir sehen können, fließen in die Theorie ein. In dieser Sichtweise basiert die Realität auf Beobachtungen.
Zwei Seiten derselben Medaille
Zur gleichen Zeit entwickelte der österreichische Physiker Erwin Schrödinger einen anderen, aber ähnlichen Ansatz. Dieser basierte auf der Tatsache, dass Licht sich wie eine Welle verhält, was eine intuitivere Vorstellung vom Verhalten der Atome ermöglicht. Das bedeutet, dass er sich nicht nur auf messbare Größen konzentrierte, sondern Partikel als glatte Wellen vorstellte, die sich durch den Raum ausbreiten. Wellen, die wir nie direkt sehen, deren Form uns jedoch sagt, wo es wahrscheinlich ist, ein Teilchen an verschiedenen Orten zu finden, wenn wir es messen.
Doch dies wirft eine Frage auf: Wenn ein Teilchen wie eine Welle verteilt ist, warum befindet es sich dann immer an einem bestimmten Ort, wenn wir es messen? Diese Kontroversen verdeutlichen, dass die beiden Ansätze Hand in Hand gehen: Sie beschreiben dieselbe Realität aus unterschiedlichen Blickwinkeln. Die Welle liefert die Wahrscheinlichkeiten, und die Messung gibt uns das Ergebnis. Schrödingers Formulierung stellte sich bald als mathematisch identisch mit der von Heisenberg heraus und vereinte zwei scheinbar gegensätzliche Sichtweisen auf die Quantenwelt.
Transistoren und moderne Elektronik
Obwohl die Quantenphysik anfangs nicht intuitiv und manchmal umstritten für Wissenschaftler war, bot sie Wissenschaftlern und Ingenieuren ein Werkzeug, um Materialien und Prozesse zu kontrollieren, die sie zuvor nicht nachvollziehen konnten. Dies führte zur Entstehung vieler neuer Technologien, und innerhalb von 25 Jahren nach Heisenbergs Entdeckung wurden die Grundlagen vieler heutiger Technologien gelegt. In den 1930er und 1940er Jahren half die Quantenmechanik Wissenschaftlern, Halbleiter zu verstehen – Materialien, die entweder isolieren oder Elektrizität leiten können.
Diese Einstellungsänderung kommt von Elektronen, die sich als Wellen in einem Kristall verhalten, was es einigen Energien ermöglicht, leicht zu fließen, während andere blockiert werden. Kurz darauf wurden die ersten Transistoren auf der Basis von Halbleitern entwickelt, die seitdem das Kernmaterial moderner Elektronik sind.
Licht, Kameras, Barcodes!
Etwa zur gleichen Zeit lernten Wissenschaftler, wie man mit einem Strahl winziger Partikel auf ein Material leuchtet und dadurch dessen Eigenschaften erforscht. So schufen sie den ersten Sensor, der Quantenmechanik ausnutzte. Dies führte zu einem drastischen Anstieg der Präzision und Auflösung, mit der wir die Natur untersuchen können. Besonders die Medizin hat stark davon profitiert, etwa durch MRT-Scans, die in Krankenhäusern weltweit eingesetzt werden. Das Verständnis, wie Licht mit verschiedenen Materialien interagiert, zusammen mit dem Aufkommen von Halbleitern, führte in den 1950er und 1960er Jahren zur Entwicklung zweier neuer Lichtquellen: LEDs und Lasern.
Dank ihres geringen Energieverbrauchs finden sich LEDs heute in nahezu allen Lampen und Bildschirmen. Laser haben sich als äußerst vielseitige Werkzeuge erwiesen, die nicht nur zum Lesen von Barcodes in Supermärkten verwendet werden, sondern auch das Rückgrat unseres globalen Kommunikationsnetzes bilden: Glasfaserinternet hat die Welt erobert, wobei Nachrichten blitzschnell übertragen werden.
Kürzlich wurden Quantenpunkte erfunden. Dies sind winzige Strukturen, die sich wie künstliche Atome verhalten und in hochwertigen Bildschirmen und Solarzellen eingesetzt werden. Die zuvor genannten Innovationen basierten auf einem besseren Verständnis von Materialien und gleichzeitigem Kontrollieren großer Mengen von Atomen.
Die neuesten Anwendungen
Seit den 1990er Jahren haben Wissenschaftler – dank einiger der oben genannten Errungenschaften – eine zunehmende Kontrolle über einzelne Atome, Elektronen und Photonen erlangt. Während dieser »zweiten Quantenrevolution« entstand unter anderem die Erfindung von Kommunikationskanälen, die gegen unentdecktes Abhören sicher sind. Dies ist beispielsweise wertvoll für staatliche Institutionen, Banken und den Gesundheitssektor, die mit sensiblen Daten umgehen und hohe Sicherheitsanforderungen haben. Die Ansammlung solcher Kanäle nennen wir ein Netzwerk, und heute nimmt die Komplexität solcher Netzwerke stetig zu und kann sogar über Satelliten erweitert werden.
Die Kontrolle über einzelne Atome führte zur Entwicklung neuer, präziserer Sensoren, die hauptsächlich in der Forschung eingesetzt werden, wie zur genaueren Untersuchung der Gravitation. Wie die Quantenmechanik mit unserem Verständnis der Gravitation zusammenhängt, bleibt eine offene Frage – ein fundamentales Problem, dem Heisenberg einen großen Teil seines Lebens gewidmet hat.
In den letzten Jahren hat kein Bereich mehr Aufmerksamkeit und Finanzierung erhalten als Quantencomputer. Dies sind Maschinen, deren Berechnungseinheiten Atome sind und die Quantenmechanik für Berechnungen und Simulationen nutzen. Sie existieren bereits, aber es wird noch viele Jahre dauern, bis ein wirklich nutzbarer Quantencomputer gebaut wird.
Mit einem funktionalen Quantencomputer könnten wir beispielsweise komplexe molekulare Strukturen simulieren, was uns ermöglichen würde, neue Medikamente oder Materialien zu entwickeln.
Potential für Gutes und Schlechtes
Es gibt gute Gründe, die innovative Kraft zu feiern, die Wissenschaftler und Ingenieure im letzten Jahrhundert bewiesen haben. Viele der Dinge, die sie mithilfe der Quantenmechanik entwickelt haben, haben unser Leben drastisch verändert. Und unter korrekter Regulierung können sie zu einem nachhaltigeren Zusammenleben beitragen. Es ist jedoch wichtig, sich daran zu erinnern, dass es auch Zeiten gab, in denen gefährliche Ziele technologische Fortschritte antrieben – und die Geheimhaltung darüber die Situation verschlechterte.
Heute gibt es erneut eine Tendenz, Forschungsfelder zu isolieren, die ein Potenzial für sowohl gute als auch schlechte Anwendungen gesehen werden. Dies geschieht in Anbetracht der anhaltenden Kriege und zunehmenden politischen Spannungen. In Dänemark und der restlichen Welt wird die Bewegungsfreiheit von Wissenschaftlern aufgrund ihrer Nationalität eingeschränkt, und langjährige Kooperationen werden unterbrochen. In diesen Zeiten sollten wir uns an Niels Bohrs Brief an die UN von 1950 erinnern, in dem er erklärte, dass eine offenere Welt eine friedlichere Welt sein würde.
Eine junge Wissenschaft mit vielen unbeantworteten Fragen
In diesem Jahr feiern wir das 100-jährige Bestehen der Entdeckung der Quantenmechanik. Viele der Fragen, die Heisenberg, Einstein, Bohr und ihre Zeitgenossen damals stellten, sind jedoch immer noch unbeantwortet. Was bedeutet es, etwas zu messen? Gibt es eine zugrunde liegende und mächtigere Theorie zu entdecken? Würfelt Gott wirklich?
Die Quantenphysik ist eine relativ junge Wissenschaft, die noch viel zu erkunden und zu entdecken hat – und in Zukunft wird sie weiterhin unser Verständnis der Welt erweitern.
