Quantenphysik für Nicht-Physiker

Fast alles, was ich über Quantenphysik weiß, verdanke ich meinem Freund und Ex-Kollegen Hans Diel. Mehrmals trafen wir uns in den letzten Jahren, um Teilaspekte dieser Wissenschaft und Weltsicht zu diskutieren. Es waren nicht nur die der landläufigen Intuition widersprechenden Theorien und Erkenntnisse, die uns faszinierten, sondern auch die allgemeine Situation der einst so stolzen Physik. Diese Gespräche sowie die Lektüre einiger einschlägiger Bücher bewogen mich dazu, mir gedanklich zurechtzulegen, was uns heute die Quantenphysik über die Natur sagt. Da ich kein Physiker bin, beschränke ich mich auf einige Grundkonzepte. Dass ich dabei teilweise meine eigene Terminologie verwende, möge man mir nachsehen. Ich gebe nur einige wenige Hinweise auf Namen von Wissenschaftlern und weiterführendes Material. Dabei ist Wikipedia sehr oft das Ziel meiner Verweise, da die dortigen Einträge zu Themen aus der Physik vorwiegend an Laien gerichtet sind.

Quantenphysik ist der Teil der Physik, der sich mit den Dingen unterhalb dessen befasst, was Biologie und Chemie interessiert. Dort sind es Atome und Moleküle und daraus sich aufbauende Strukturen. Hier geht es um das Innere von Atomen und um elektromagnetische Felder. Im Mittelpunkt steht fast immer das Bohrsche Atommodell, benannt nach dem Dänen Niels Bohr (1885-1962). Es reflektiert eine sehr verbreitete Auffassung und bildet auch die Basis der folgenden Ausführungen.

Ein Atom besteht danach aus einem positiv geladenen Kern und negativ geladenen Elektronen. Die uns bekannten chemischen Elemente unterscheiden sich durch die Anzahl der Elektronen, die den Atomkern einhüllen. Gibt es mehrere Elektronen, so können sich diese auf unterschiedlichen Energie-Niveaus befinden. Allerdings können sich nie zwei Elektronen mit genau den gleichen Eigenschaften (Energie, Spin) auf demselben Niveau befinden. Dieses so genannte Ausschließungsprinzip wurde von Wolfgang Pauli (1900-1958) formuliert

Um gewisse Spektrallinien zu erklären, muss man sich diese Niveaus nicht als kreisförmige, sondern als elliptische Bahnen von Teilchen vorstellen. Wird Energie zugeführt‚  springt ein Elektron von einer energetisch niedrigeren Bahn auf eine energetisch höhere Bahn. Bei Verlust von Energie erfolgt der Sprung in der umgekehrten Richtung. Die Energiezufuhr bzw. -abgabe erfolgt in diskreten Einheiten, auch Quanten genannt. Dieser Quantensprung erfolgt nach den Regeln der Quantenfeldtheorie und ohne kontinuierlichen Übergang. Der Zeitpunkt, wann ein Elektron auf eine Energiezufuhr reagiert, ist nicht genau vorherzusagen. Die auf Richard Feyman (1918-1988) zurückgehenden Feynman-Diagramme beschreiben die Interaktionen nur schematisch. In der hier eingefügten Abbildung stellt die Wellenlinie die Interaktion zweier Teilchen dar. 

  Beispiel eines Feynman-Diagramms (Quelle Wikipedia)

 (Zeitachse von links nach rechts, Ort von unten nach oben)

Der Ursprung der Quantenphysik geht auf Max Planck (1858-1947) zurück, der im Jahre 1900 entdeckte, dass die Strahlung schwarzer Körper nicht kontinuierlich erfolgt, sondern nur in diskreten Energiepaketen. Photonen (so werden Lichtquanten heute meist genannt) interagieren mit Elektronen, indem sie Energie austauschen. Desgleichen interagieren Elektronen mit Elektronen, und Photonen mit Photonen. Elektronen und Photonen, ja die gesamte Materie, zeigen sowohl Teilchen- wie Welleneigenschaften. Im subatomaren Bereich treten die Welleneigenschaften häufiger in Erscheinung als die Teilcheneigenschaften.

Ort und Impuls eines Teilchens lassen sich nie gleichzeitig mit hoher Genauigkeit bestimmen. Dieses Phänomen wird als Heisenbergsche Unschärferelation bezeichnet, entdeckt von Werner Heisenberg (1901-1976). Dabei geht es nicht um eine gegenseitige Beeinflussung von Objekt und Messgerät (wie man dies als Nicht-Physiker vermuten könnte). Beobachtungen oder Messungen im sub-atomaren Bereich erfolgen oft durch den Austausch von Energiequanten, meist im hochfrequenten Bereich, z.B. durch Röntgenstrahlen (ob es ‚nicht-invasive‘ Methoden gibt, ist mir nicht bekannt). Durch die hohe Energie wird natürlich der Impuls verändert. Auf Max Born (1882-1970) geht die Auffassung zurück, dass alle Messgrößen im subatomaren Bereich nur als statistische Wahrscheinlichkeiten interpretiert werden können. Das berühmte Doppelspaltexperiment suggeriert, dass der Ort eines Teilchens solange unbestimmt oder unscharf ist, bis dass er gemessen wird (etwas, was in besonderem Maße der Intuition widerspricht).

Photonen oder Elektronen können paarweise auftreten und bilden dabei eine Art System. Sie scheinen sich an die gemeinsame Vergangenheit zu erinnern und reagieren (manchmal) so, als ob sie verbunden (‚verschränkt‘) wären. Im Falle der so genannten Quantenverschränkung findet keine Kommunikation im üblichen Sinne statt, d.h. es werden keine Teilchen ausgetauscht. Es handelt sich demnach auch um kein Phänomen, bei dem die Lichtgeschwindigkeit überschritten wird. Ob es jemals für die Kommunikation zwischen Rechnern benutzt werden kann, ist äußerst fraglich. An dieser Stelle grenzt die heutige Physik an Magie und Mystik − so erscheint es mir als Laien.

Die hier gewählte Darstellung der beschriebenen Phänomene entspricht im Wesentlichen der Kopenhagener Deutung der Quantenphysik. Von Niels Bohr maßgeblich bestimmt, vertritt diese Schule, zu der auch Born, Heisenberg und Pauli gehörten, eine dem Positivismus nahestehende Weltsicht. Der Positivismus hält nur das für real, was man beobachten kann. Bohrs schärfster Widersacher war Albert Einstein. Ihm widerstrebte es, dass im subatomaren Bereich die bekannten Naturgesetze nicht mehr gelten sollten, vor allem Kausalität und Lokalität. Kausalität heißt, es gibt keine Wirkung ohne Ursache. Mit Lokalität ist das Prinzip gemeint, dass physikalische Prozesse nur auf ihre unmittelbare Umgebung wirken können. Einstein überlegte sich mehrere Gedankenexperimente, um Bohr in Verlegenheit zu bringen. In jedem Falle fand Bohr zwar eine Antwort, sie waren aber nicht immer sehr überzeugend. Am schwersten tat sich Einstein damit, dass Bohr und seine Anhänger leugneten, dass es eine physikalische Realität gibt, auch dann wenn sie nicht beobachtet wird. Endgültig entschieden ist dieser Konflikt auch heute noch nicht. Heute ‚glauben‘ allerdings nur noch die wenigsten Physiker an die Kopenhagener Deutung. Das große Dilemma der heutigen Physik besteht darin, dass es keine Alternativen gibt, die wesentlich überzeugender sind. Die Zeit, als die Physik stets per Experiment entscheiden konnte, was wahr und was falsch ist, ist offensichtlich vorbei. Die in einem vorangehenden Beitrag erwähnte String-Theorie war bisher noch nicht in der Lage ein konkretes Experiment vorzuschlagen, dessen Ergebnis nur mit dieser Theorie zu erklären wäre.

Diese Zusammenhänge werden in einem im Internet verfügbaren Video sehr schön veranschaulicht. Eine sehr gute Einführung in die Geschichte der Quantenphysik ist das Buch von Manjit Kumar. Es wurde mir zu Weihnachten 2010 geschenkt und ich las es mit viel Vergnügen und Gewinn. Es ist für Laien wie mich sehr gut geeignet. In letzter Zeit haben sich auch einige sehr bekannte Physiker kritisch mit der Situation ihres Faches auseinandergesetzt. Diese Betrachtungen sowie einige der alternativen Theorien werde ich vielleicht später einmal kommentieren.