Heisenbergs Quantenmechanik

Die Welt der Quanten könnte auch einem Science-Fiction-Roman entsprungen sein. Licht verhält sich wie ein Teilchen, Materie wie eine Welle, die Grenzen zwischen Untersuchungsgegenstand und Beobachter scheinen zu verschwimmen.

Werner Heisenberg wurde 1901 in Würzburg geboren. Nach zügigem Studium der Physik in München arbeitete er bald mit berühmten Kollegen zusammen. Schon 1927 wurde er Professor an der Uni Leipzig und 1932 erhielt er den Nobelpreis für Physik für die Entwicklung der Quantenmechanik, die auf Arbeiten Max Plancks aufbaut.

"Quantum" ist lateinisch und bedeutet "eine gewisse Menge". Bei chemischen oder physikalischen Prozessen wird Energie nur in kleinen Paketen abgegeben. Diese Eigenschaft der Natur nennt man "diskret". Ein halbes Energiepaket oder ein durchgehender Energiestrom kommt nicht vor.

Für was ist Quantenmechanik gut?

In der Alltagswelt, Physiker sprechen vom Makrokosmos (gr.makro=groß), sind Quantenphänomene nie anzutreffen. Man kann den Makrokosmos beschreiben, ohne sich um die kleinsten Teile zu kümmern. Will man aber verstehen, aus was die Welt eigentlich aufgebaut ist, dann muss man auch in die Welt der kleinsten Dinge (Mikrokosmos) vordringen und sie untersuchen. Und im Mikrokosmos gelten die Spielregeln der Quanten.

Quantenmechanik beschäftigt sich mit Atomen, deren Bausteinen und ihrer Wechselwirkung. In so kleinem Maßstab stimmen die physikalischen Formeln, die unsere Alltagswelt beschreiben, nicht mehr. Für uns ist klar: Objekte bestehen aus kleinsten Teilchen, den Atomen, und Licht ist eine elektromagnetische Welle, die sich im Raum ausbreitet. Zwei völlig verschiedene Dinge also.

Die Quantenmechanik sagt nun, dass sich Lichtwellen wie Teilchen und Materieteilchen wie Wellen verhalten können. Materie und Licht kann also beides sein: eine ausgebreitete Welle oder ein punktförmiges Teilchen. Bei Lichtteilchen spricht man von Photonen, die Materiewellen beschreibt man als Wellenfunktion. Man nennt dies auch den Welle-Teilchen-Dualismus.

Der Strahl eines Atomlasers. Er ist etwa zwei Millimeter lang und besteht aus einer, am atomaren Maßstab gemessen, riesigen Materiewelle.

Das war 1927 und ist auch heute noch ein revolutionärer Gedanke, der die alltägliche Sicht auf die Welt völlig veränderte. Vor allem, weil sich auch Materiewellen wie Lichtstrahlen überlagern können. Siehe "Gibt es Schrödingers Katze wirklich?" Man hat auch schon Atomlaser gebaut, die statt Licht einen kurzen Strahl von Materie aussenden.

Was ist die "Unschärferelation"?

Als sich Heisenberg mit der Welt der Quanten beschäftigte, stellte er fest, dass man entweder ganz genau den Ort eines Teilchens feststellen kann oder dessen Geschwindigkeit, niemals beides zusammen. Weiß man das eine sehr genau, dann weiß man das andere nur ungefähr. Es liegt auch nicht daran, dass man nur genauer hinschauen müsste: Es ist eine prinzipielle Grenze des Wissens.

Das sind die so genannten Orbitale des Wasserstoffatoms. Je heller die Farbe ist, desto wahrscheinlicher ist es, dort ein Elektron anzutreffen. Wo es genau ist, kann man nicht sagen.

Im Makrokosmos dagegen hat alles seine Ordnung: Du sitzt gerade mit 0 km/h vor einem Rechner und liest diesen Text. Man kann genau wissen, wo du bist und wie schnell. Im Mikrokosmos liegen die Dinge anders. Das beruht darauf, dass Materie Teilchen und Welle sein kann. Wenn die Forscher sehr kleine Dinge untersuchen, dann wird der Wellencharakter immer deutlicher. Man kann dann nicht mehr sagen, dass ein Teilchen sich an einem bestimmten Punkt aufhält.

Das hört sich sehr theoretisch an, aber die Unschärferelation erklärt, dass Helium als einziges Element niemals zu einem Festkörper gefriert, egal wie kalt es ist.

Gibt es Schrödingers Katze wirklich?

Nein, Schrödingers Katze ist nur ein Gedankenexperiment, um die Seltsamkeit der Quantenmechanik zu verdeutlichen. Erwin Schrödinger war ein Kollege Heisenbergs. Man stellt sich eine Katze vor, die in einem dunklen Kasten eingesperrt ist. Darin befindet sich ein Fläschchen mit Giftgas. Dieses Fläschchen wird zufällig irgendwann zerstört und die Katze stirbt.

Solange man nicht nachschaut, ist nach einer bestimmten Auslegung der Quantenmechanik die Katze gleichzeitig tot und lebendig. Erst wenn man in die Kiste hinein schaut, wird die Katze in einen bestimmten Zustand gedrängt. Das Beobachten spielt dabei eine wichtige Rolle.

Damit will man anschaulich machen, dass in der Welt der Quanten mehrere gleichberechtigte Zustände gleichzeitig und nebeneinander existieren können. Und man will zeigen, dass Beobachten und Messen einen Einfluss auf das hat, was beobachtet und gemessen wird.

Was haben Quantenmechanik und Quantencomputer miteinander zu tun?

Bisher gibt es noch keinen Quantencomputer, aber einzelne, wichtige Bausteine sind schon gebaut worden. Problematisch ist, dass man mit "Quanten" nur sehr schwer arbeiten kann. Man braucht sehr niedrige Temperaturen und muss die Ergebnisse schnell abfragen. Denn die Materiewellen, mit denen ein Quantencomputer arbeitet, verflüchtigen sich sehr schnell.

Ein funktionierender Quantencomputer wird die Welt revolutionieren. Ein normaler Computer rechnet Schritt für Schritt und muss seine Befehle nacheinander abarbeiten. Ein Quantencomputer jedoch arbeitet sehr viele Befehle gleichzeitig ab. Wie bei Schrödingers Katze sind in einer Speicherzelle sämtliche Ergebnisse gleichzeitig vorhanden. Dadurch kann er mathematische Probleme, für die ein heutiger Computer Tausende von Jahren braucht, in wenigen Sekunden durchführen.

Was nützt mir die Quantenmechanik?

Mit Hilfe der Quantenmechanik konnte das Phänomen der Supraleitung erklärt werden. Dabei fließt Strom ohne Widerstand in einem elektrischen Leiter. Das ermöglicht Magnetschwebebahnen wie den Transrapid oder medizinische Geräte wie den Kernspintomographen.

Wenn sich das alles sehr kompliziert anhört, dann tröstet vielleicht der Ausspruch eines anderen berühmten Physikers, Richard Feynman: "Wer glaubt, die Quantentheorie verstanden zu haben, hat sie nicht verstanden."

Zitate Heisenbergs:

"Der erste Trunk aus dem Becher der Naturwissenschaften macht atheistisch, aber auf dem Grund des Bechers wartet Gott."

"Nur wenige wissen, wie viel man wissen muss, um zu wissen, wie wenig man weiß."

Wenn du mehr wissen willst...

Ein WIW-Artikel über Max Planck, den Vater der Quantentheorie

Alle Artikel bei WIW, die sich mit Teilchenphysik befassen

Hier findest du mehr Informationen zum Atomlaser

Ein Online-Versuch zum Welle-Teilchen-Dualismus

Hier findest du ein Programm, mit dem man ein berühmtes Experiment zum Welle-Teilchen-Dualismus am Computer durchführen kann

Schau doch auch einmal in den WAS IST WAS-Band 79: Moderne Physik

oder in den WAS IST WAS-Band 102: Unser Kosmos

Text: -jj- 28.7.2005 Foto Atomlaser © und mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institus für Quantenoptik; Werner Heisenberg/Public Domain/Wikipedia; Atom-Orbitale/GFDL/Wikipedia; Supraleitung/Public Domain/Wikipedia

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