„Was meinst du eigentlich damit?“ fragte Niels Bohr immer wieder seinen wachen, neugierigen 23-jährigen Schüler. Vor hundert Jahren gingen der dänische Physiker Niels Bohr und sein Schüler, der deutsche Physiker Werner Heisenberg, stundenlang durch den Dyrehaven und entlang des Öresunds und versuchten, das seltsame Verhalten von Atomen zu erklären, während Physiker diese im Labor studierten.

Zu dieser Zeit glaubten Physiker, dass das Atom wie ein kleines Sonnensystem aufgebaut ist – mit einem kompakten Kern in der Mitte und Elektronen, die in festen Bahnen um ihn kreisen.

Um die Jahrhundertwende hatte Max Planck vorgeschlagen, dass Energie in kleinen Paketen existiert, eine mathematische Idee, die er entwickelt hatte, um seine experimentellen Ergebnisse zu erklären. Albert Einstein erweiterte dann diese Idee und argumentierte, dass Licht selbst in Paketen oder „Quanten“ kommt.

Mit diesem neuen Blickwinkel nutzte Niels Bohr seine Intuition, um die wahre innere Funktionsweise des Atoms zu entdecken. Er war anderer Meinung, dass Elektronen wie Planeten sind, die die Sonne umkreisen – sie bewegen sich nicht in gleichmäßigen Kreisen. Stattdessen verschwinden sie von einem Niveau und tauchen plötzlich auf einem anderen auf, wo sie Licht abgeben oder aufnehmen. Zu dieser Zeit erschien die Idee den Physikern absurd, und es gab keine Theorie, die ein solches Verhalten erklären konnte.

Aus diesem Grund diskutierten Bohr und Heisenberg weiter darüber, wie man eine neue Theorie entwickeln könnte, die das merkwürdige Verhalten der Atome erklären könnte. Ihre langen Spaziergänge und intensiven Diskussionen markierten den Beginn dessen, was wir heute als Quantenmechanik bezeichnen – eine Theorie, die in diesem Jahr ihr 100-jähriges Jubiläum feiert.

Adventskalender zur Quantenmechanik

Dieser Artikel ist der erste von vier in Videnskab.dks Adventskalender, der das hundertjährige Bestehen der Quantenmechanik feiert.

Jeden Sonntag bis Weihnachten werden Wissenschaftler des Niels-Bohr-Instituts an der Universität Kopenhagen dich in die faszinierende und geheimnisvolle Welt der Quanten führen. In der Serie wirst du unter anderem mehr über die spektakulärsten Experimente der Quantenphysik erfahren und die dänische Quantencomputertechnologie Magne kennenlernen.

Außerdem wird ein Forscher erklären, was Quantenmechanik eigentlich ist.

Die frühen Jahre der Quantenmechanik

Zusätzlich zum Kampf, um das geheimnisvolle Verhalten der Natur zu erklären, hatte Heisenberg mit einer intensiven Pollenallergie zu kämpfen. Daher reiste er zur abgelegenen Insel Helgoland in der Nordsee, wo er Ruhe und Konzentration fand. Dort sollte Heisenberg schließlich die Bausteine für eine mathematische 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, seinem Betreuer in Göttingen, gesagt haben, der an der Entwicklung von Heisenbergs neuer Idee beteiligt war. Nur wenige Monate später formulierten sie die erste Version der neuen Theorie.

Heisenbergs anfängliche Idee war, die Natur nur anhand dessen zu beschreiben, was man sehen kann. Nach dieser Auffassung verfolgt man nicht, wo sich ein Teilchen „wirklich“ befindet, sondern arbeitet stattdessen direkt mit dem, was im Labor messbar ist: der Energie des Teilchens, den Lichtfrequenzen, die es aussendet, oder wie es andere Teilchen beeinflusst. Nur Fakten, die wir sehen können, fließen in die Theorie ein; die Realität basiert in dieser Auffassung auf Beobachtungen.

Zwei Seiten derselben Medaille

Ungefähr 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 ein intuitiveres Bild des Verhaltens von Atomen vermittelt. Das bedeutet, dass er sich nicht nur auf messbare Größen konzentrierte, sondern die Teilchen als glatte Wellen auffasste, die sich im Raum ausbreiten. Wellen, die wir nie direkt sehen, dessen Form uns aber sagt, wie wahrscheinlich es ist, das Teilchen an verschiedenen Orten zu finden, wenn wir es messen.

Doch dies warf die Frage auf: Wenn ein Teilchen sich wie eine Welle ausbreitet, warum befindet es sich dann immer an einem bestimmten Ort, wenn wir es messen? Diese Kontroverse verdeutlicht, dass die beiden Ansätze Hand in Hand gehen: Sie beschreiben dieselbe Realität aus verschiedenen Perspektiven. Die Welle gibt uns die Wahrscheinlichkeiten an, und die Messung zeigt uns das Ergebnis. Schrödingers Formulierung erwies sich bald als mathematisch identisch mit der von Heisenberg und vereinte zwei scheinbar gegensätzliche Sichtweisen auf die Quantenwelt.

Was als abstrakte Debatte begann, veränderte bald unser Verständnis der Natur: Gewissheit wurde durch Wahrscheinlichkeit ersetzt, Teilchen floßen wie Wellen, und die Realität konnte nicht vom Beobachtbaren getrennt werden.

Transistoren und moderne Elektronik

Obwohl die Quantenphysik nicht intuitiv und zu Beginn des 20. Jahrhunderts manchmal umstritten war, bot sie Wissenschaftlern und Ingenieuren ein Werkzeug, um Materialien und Prozesse zu kontrollieren, die zuvor unverständlich gewesen waren. Dies führte zur Entstehung vieler neuer Technologien, und innerhalb von 25 Jahren nach Heisenbergs Entdeckung wurde die Grundlage für viele der heutigen Technologien gelegt.

In den 1930er und 1940er Jahren half die Quantenmechanik Wissenschaftlern, Halbleiter zu verstehen – Materialien, die eingestellt werden können, um entweder Elektrizität zu isolieren oder zu leiten. Diese Einstellung resultiert aus Elektronen, die in einem Kristall als Wellen agieren, was einige Energien leicht fließen lässt, während andere blockiert werden. Kurze Zeit später wurden die ersten Transistoren aus Halbleitern entwickelt, die seitdem zum Kernmaterial moderner Elektronik geworden sind.

Licht, Kameras, Barcodes!

Fast zur gleichen Zeit lernten Wissenschaftler, wie man einen Lichtstrahl aus kleinen Partikeln auf ein Material richten kann, um über dessen Eigenschaften zu lernen. So schufen sie den ersten Sensor, der die Quantenmechanik nutzt. Dies führte zu einer drastischen Erhöhung der Präzision und Auflösung, mit der wir die Natur untersuchen können. Besonders die Medizin hat davon profitiert, wie zum Beispiel bei MRT-Scans, die weltweit in Krankenhäusern 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: LED und Laser. Dank ihres geringen Energieverbrauchs finden sich LEDs heute in fast allen Lampen und Bildschirmen.

Laser haben sich als äußerst vielseitiges Werkzeug erwiesen, das nicht nur zum Scannen von Barcodes in Supermärkten verwendet wird, sondern auch das Rückgrat unseres globalen Kommunikationsnetzwerks bildet: Glasfaserinternet hat die Welt erobert, in der Nachrichten blitzschnell übertragen werden.

In letzter Zeit wurden Quantenpunkte entdeckt. Dies sind winzige Strukturen, die sich wie künstliche Atome verhalten und in hochwertigen Bildschirmen und Solarzellen verwendet werden. Die bisher genannten Innovationen basierten auf einem besseren Verständnis von Materialien und der gleichzeitigen Kontrolle großer Gruppen von Atomen.

Die neuesten Anwendungen

Seit den 1990er Jahren haben Forscher – dank einiger der oben genannten Errungenschaften – eine zunehmende Kontrolle über einzelne Atome, Elektronen und Photonen erlangt. In dieser „zweiten Quantenrevolution“ finden sich unter anderem die Erfindungen von Kommunikationskanälen, die gegen unentdecktes Abhören gesichert sind. Dies ist insbesondere für staatliche Institutionen, Banken und den Gesundheitssektor von Bedeutung, die mit sensiblen Daten arbeiten und eine hohe Sicherheit benötigen.

Die Sammlung solcher Kanäle nennen wir ein Netzwerk, und heute wächst die Komplexität solcher Netzwerke stetig und kann sogar über Satelliten erweitert werden. Die Kontrolle über einzelne Atome führte zur Entwicklung neuer und präziser Sensoren, die hauptsächlich in der Forschung eingesetzt werden und beispielsweise verwendet werden, um die Gravitation genauer zu untersuchen.

Wie die Quantenmechanik mit unserem Verständnis der Gravitation zusammenhängt, bleibt eine offene Frage – ein grundlegendes Problem, dem Heisenberg einen großen Teil seines Lebens gewidmet hat.

Das Potenzial für Gutes und Schlechtes

Es gibt gute Gründe, die innovative Kraft zu würdigen, die Wissenschaftler und Ingenieure im letzten Jahrhundert gezeigt haben. Viele der Dinge, die sie mithilfe der Quantenmechanik entwickelt haben, haben unser Leben drastisch verändert. Und wenn diese richtig reguliert werden, können sie dazu beitragen, eine nachhaltigere Gesellschaft zu schaffen.

Es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass es auch Zeitperioden gab, in denen gefährliche Ziele technologische Fortschritte vorantrieben – und das Geheimnisvolle, das damit verbunden war, machte es schlimmer. Nur 15 Jahre nachdem Heisenberg seine Entdeckung mit Physikern aus der ganzen Welt geteilt hatte, hatte sich das wissenschaftliche Umfeld erheblich verändert. Wissenschaftler teilten nicht mehr frei Gedankenexperimente und Ideen miteinander, sondern arbeiteten an geheimen Projekten, die darauf abzielten, Waffen zu bauen.

Heisenberg arbeitete am Uranprojekt für die Nazis, und viele andere Physiker waren am Manhattan-Projekt in den USA beteiligt. Dies führte zur Atombombe. Wie der Name schon andeutet, war es möglich, sie aufgrund von Fortschritten in der Quantenphysik und im Verständnis der mikroskopischen Welt zu bauen.

Heute gibt es wieder eine Tendenz, Forschungsfelder zu isolieren, die sowohl das Potenzial für Gutes als auch für Schlechtes haben. Dies ist eine Folge laufender Kriege und zunehmender politischer Spannungen. In Dänemark und auf der ganzen Welt wird die Bewegungsfreiheit von Forschern 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 nach wie vor unbeantwortet. Was bedeutet es, etwas zu messen? Gibt es eine zugrunde liegende und stärkere Theorie zu entdecken? Würfelt Gott wirklich?

Die Quantenphysik ist eine relativ junge Wissenschaft, die immer noch viel zu erkunden und zu entdecken hat – und in Zukunft wird sie weiterhin unser Verständnis der Welt erweitern.