Die wundersame Welt der Quanten
Von Franziska Dzugan
Alles Quanten
Die Quantenphysik ist die vielseitigste Theorie, die wir heute haben - sie erklärt unterschiedlichste Phänomene, von den kleinsten Teilchen bis zur großen Struktur unseres Universums.
In der Natur gibt es vier verschiedene Kräfte: Die elektromagnetische Kraft ist nicht nur für den Strom aus unseren Steckdosen entscheidend, sondern auch für die Anziehungskraft zwischen Atomen und Molekülen - sie hält die Materie zusammen. Die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft bemerken wir im Alltag kaum, beide wirken nur auf extrem kurzen Distanzen und bestimmen das Verhalten von Atomkernen. Diese drei Kräfte kann man heute quantenphysikalisch erklären, nur die vierte fundamentale Kraft, die Gravitation, lässt sich noch immer nicht so recht in das Quanten-Gebäude der modernen Physik einbauen. Sollte es gelingen, eine Theorie der Quantengravitation zu formulieren, so könnte daraus vielleicht erstmals eine physikalische Theorie entstehen, die alle Kräfte der Natur vereint - die große "Theory of Everything", die Weltformel, aus der im Prinzip alle beobachtbaren Phänomene abgeleitet werden können.
Die meisten Quantenphysiker beschäftigen sich heute nicht mit der Suche nach der Weltformel, sondern mit der näheren Erforschung und Anwendung der Naturgesetze, die man bereits kennt. In der Quantenoptik, zu der auch die aktuellen Satellitenexperimente mit verschränkten Lichtteilchen zählen, untersucht man die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Dabei spielt die Theorie der Quanteninformation eine große Rolle - die Grundlage für Quantentechnologien wie Beamen, Quanten-Verschlüsselung oder Quantencomputer.
QUANTEN
Darf's ein bisschen mehr sein? Im Alltag haben wir es meist mit kontinuierlichen Größen zu tun. Wir können 100 Gramm Wurst abschneiden oder 101 Gramm oder eine beliebige Menge dazwischen. Doch auf winzigen Skalen wird es komplizierter: Manche Größen kommen nur in ganz bestimmten Portionen vor. So strahlt zum Beispiel ein heißer Körper seine Energie nicht kontinuierlich ab, sondern in ganz bestimmten Einzelpaketen -den Quanten. Auch die Energie eines Elektrons im Atom ist quantisiert. Es kann nur ganz bestimmte Werte annehmen.
PHOTONEN
Ist Licht eine Welle oder besteht es aus Teilchen? Beides gleichzeitig ist wahr. So ähnlich wie Materie aus einzelnen Atomen aufgebaut ist, besteht das Licht nach der Quantentheorie aus einzelnen Photonen, den Lichtteilchen. Sie weisen Eigenschaften auf, die man sonst nur von Wellen kennt: Sie können sich an unterschiedlichen Orten gleichzeitig befinden, ihr Wellenmuster kann sich mit sich selbst überlagern wie eine Wasserwelle, die am Beckenrand reflektiert wird. Für Quantenexperimente sind Photonen bestens geeignet: Man kann sie leicht herstellen und leicht detektieren. Die Lichtteilchen haben einen weiteren entscheidenden Vorteil: Sie bewegen sich von Natur aus mit Lichtgeschwindigkeit - schneller als mit Photonen kann man Nachrichten nicht übermitteln.
QUANTENSPRUNG
Wenn sich eine physikalische Größe ändert, die nur in bestimmten Portionen vorkommen kann, spricht man von einem Quantensprung. So kann zum Beispiel in einem Atom ein Elektron von einem Zustand niedriger Energie in einen Zustand höherer Energie wechseln - oder umgekehrt. Die Natur verändert sich also nicht kontinuierlich, sondern das System hüpft von einem Wert zum anderen, ohne jemals die Werte dazwischen anzunehmen.
QUANTENZUFALL
Eine der merkwürdigsten Vorhersagen der Quantenphysik ist, dass sich ein System in einer Überlagerung unterschiedlicher Zustände befinden kann. Ein Molekül kann gleichzeitig zerbrochen und ganz sein, ein Elektron kann gleichzeitig im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn um einen Atomkern kreisen. Erst bei der Messung muss sich die Natur für eine der Möglichkeiten entscheiden - und zwar auf völlig zufällige Weise. Einstein gefiel diese Idee ganz und gar nicht: "Gott würfelt nicht", meinte er.
IONEN
Ein Atom besitzt genauso viele negativ geladene Elektronen wie positiv geladene Protonen, die elektrischen Ladungen heben einander auf. Ist das Gleichgewicht verletzt, weil man dem Atom Elektronen entreißt, spricht man von einem Ion. Nachdem Ionen elektrisch geladen wurden, kann man sie durch elektrische Felder festhalten und manipulieren.