Gesundheit : Quantentheorie: Die Entdeckung des Zufalls

Thomas De Padova

Die Glühbirne verhalf zur Erleuchtung. Sie war damals, gegen Ende des 19. Jahrhunderts, noch nicht lange auf dem Markt. Aber schon zeichnete sich eine starke Konkurrenz zwischen ihr und den Gaslaternen ab. Die Physikalisch-Technische Reichsanstalt war daher darum bemüht, die verschiedenen Lichtquellen miteinander vergleichen zu können. Man wollte unter anderem verstehen, wie sich die ausgesandte Lichtmenge und die Farbe eines heißen Körpers mit steigender Temperatur änderten. Ein besonders empfindliches, elektrisch geglühtes Rohr sollte Aufschluss darüber geben.

Dieses Porzellanrohr, so groß wie eine Küchenrolle, ist das Herzstück jenes Forschungslabors aus dem Jahre 1900, das derzeit als Nachbau in der Berliner Staatsbibliothek zu sehen ist. Ein Ort, der zum Verweilen einlädt. Nach und nach lässt er erahnen, was alles zusammenkommen musste, um die gewünschten Messungen zur Strahlung heißer Objekte derart präzise ausführen zu können. Die extrem feuerfeste Keramik aus der Königlich-Preußischen Porzellanmanufaktur paart sich in dem kleinen Raum mit optischen Geräten erfolgreicher Berliner Firmen. Industrie und Wissenschaft greifen überall ineinander.

Doch als wirkliche Geburtsstätte der Quantenphysik taugt das Labor nicht. Man muss kein Historiker sein, um zu erkennen, dass der Weg von hier aus zu einer Theorie, die letztlich den Aufbau und die Eigenschaften der Atome erklären sollte, keineswegs vorgezeichnet war. Die außergewöhnlich genauen Messreihen haben zwar zusammen mit anderen erst den experimentellen Boden bereitet, auf dem Max Planck schließlich im Oktober 1900 seine "glücklich erratene" Strahlungsformel ausrollte. Von der Quantentheorie aber war Planck selbst da noch weit entfernt.

Vor der Zeit geboren

Um so überraschender muss es uns heute erscheinen, dass nur noch zwei Monate bis zu Plancks historischer Entdeckung vergingen. In diesen wenigen Wochen fand Planck eine theoretische Begründung für die gleichsam vom Himmel gefallene Strahlungsformel, eine Deutung, für die die Zeit eigentlich noch nicht reif schien. Denn er rückte dabei in mehreren Sprüngen von klassischen physikalischen Vorstellungen ab.

Planck nahm an, ein glühender Körper strahle seine Energie nicht kontinuierlich ab, sondern in kleinen Energieportionen, den Energiequanten. Er gab auch ein Maß für die Quantensprünge ein, die die Natur vollführte. Es wird seither als Plancksches Wirkungsquantum bezeichnet. Und all dies lediglich um, "koste es, was es wolle, ein positives Resultat" herbeizuführen und sein neues Gesetz nicht in der argumentativen Ödnis stehen zu lassen. Dazu schrieb er später, er könne "die ganze Tat nur als einen Akt der Verzweiflung bezeichnen".

Die Schreibtischtat

Es blieb nicht bei der Schreibtischtat. Aber was Planck mit seiner am 14. Dezember 1900 erstmals bei einem Vortrag in Berlin vorgestellten Interpretation der Strahlungsformel auslöste, wollte er selbst nicht recht wahrhaben. Es wurde erst nach Jahren offenkundig. Erst, nachdem Albert Einstein seine noch viel radikalere Lichtquantenhypothese vorgestellt hatte - die auch Planck zunächst ablehnte. Einsteins Ideen und später Niels Bohrs Atommodell und Werner Heisenbergs mathematische Beschreibungen bedeuteten den endgültigen Bruch mit althergebrachten Naturvorstellungen.

Physiker auf einer Fachtagung zur Quantenphysik im Jahre 2000 haben immer noch mit ähnlichen Schwierigkeiten zu kämpfen wie damals Planck, Einstein und Bohr. Nach wie vor sagen Nobelpreisträger wie Jerome I. Friedman in Berlin schulterzuckend, man könne die Seltsamkeiten der Quantenphysik nicht wirklich verstehen, man könne sich nur an sie gewöhnen. Zum Beispiel daran, dass ein radioaktives Atom irgendwann zerfällt, "ohne dass eine innere Uhr oder ein ähnlicher Mechanismus diesen Zeitpunkt bestimmt". Der einzelne Zerfall ist ein rein zufälliges Ereignis.

Ein gewisses Unbehagen darüber, dass die Welt kein gigantisches Uhrwerk ist, bei dem eins auf das andere folgt wie ein Tag auf den nächsten, ist fast in jedem der Fachvorträge hörbar. Alle experimentellen Fakten belegen zwar heute die Gültigkeit der Quantentheorie und damit auch des Zufalls in der Natur. Und trotzdem sind Forscher wie Nicolas Gisin aus Genf immer noch darum bemüht, sie gegen alle nur denkbaren Winkelzüge potenziell Ungläubiger zu verteidigen. Sie blasen ihre Versuchsapparaturen dazu auf zehn Kilometer Länge auf. Und auch Gedankenexperimente florieren nicht zuletzt deshalb weiterhin: die älteren, die den Debatten zwischen Einstein und Bohr entsprangen, werden mit Hilfe moderner Messtechnik realisert, neue mit Kollegen auf den Fluren der Tagungsstätte, der Technischen Universität Berlin, erörtert.

Der Welle-Teilchen-Dualismus zum Beispiel spielt in der Forschung eine unverändert herausragende Rolle. Dabei geht es um die Frage, wann sich Licht oder Elektronen - heute sind es darüber hinaus auch Neutronen oder gar Atome - wie klassische Billardkugeln gebärden, deren Bahn wir genau verfolgen können, und unter welchen Bedingungen dieselben mikroskopischen Objekte wie eine Wasserwelle daherkommen, deren Wellenberge und -täler sich überlagern. Man sieht hingegen nie Wellen- und Teilcheneigenschaften gleichzeitig, so die einst von Bohr mit dem Komplementaritätsprinzip aufgestellte Regel.

Es muss auch weiterhin als Charakteristik der Natur gelten, dass wir keine umfassende Kenntnis von ihr haben können. Es gibt komplementäre Beobachtungsgrößen, die sich nicht gleichzeitig beliebig genau messen lassen, etwa Ort und Impuls eines Objektes. Das ist der Kern von Heisenbergs Unschärferelation.

Der Welle-Teilchen-Dualismus scheint jedoch neueren Experimenten zufolge noch grundlegender zu sein als die Unschärferelation. Gerhard Rempe, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, erläuterte dies in Berlin anhand seiner Versuchsergebnisse: Die von ihm verwendeten lasergekühlten Atomstrahlen verlieren ihren Wellencharakter, sobald nur irgendeine potenzielle Information über den Weg der Atome ausgelesen werden kann. Selbst Beobachtungen mit Hilfe von Mikrowellen, die die Bahn der Atome in keiner Weise verändern oder stören (und damit die Heisenbergsche Unschärferelation umgehen!), löschen die Überlagerung der beiden Strahlen augenblicklich aus.

Die Welle-Teilchen-Debatte ist längst nicht beendet. Und selbst die Schrödingersche Katze ist bis in die heutige Zeit hinein halb tot und halb lebendig geblieben. Man darf also fragen, was die Quantenphysiker all die Jahrzehnte über gemacht haben. Hatten ihnen Planck, Einstein & Co so viele ungelöste Fragen hinterlassen, dass dies die Hausaufgaben für ein ganzes Jahrhundert bleiben sollten?

Einige Forscher haben sich in der Tat immer tiefer darin verstrickt. Zum Glück! Denn insbesondere die alten Gedankenexperimente stellten eine ungeheure technische Herausforderung für die Experimentatoren dar. Heute können die Wissenschaftler so gut mit Quantenobjekten, mit Licht und Atomen, jonglieren, dass viele von ihnen bereits optimistisch von einer nahenden Quanten-Informationstechnologie sprechen. Ohne sie werde eine weitere Miniaturisierung der Technik bald auch gar nicht mehr möglich sein.

Die Quantenphysik erlebt zu Beginn des neuen Jahrhunderts einen Boom, der mit der Entdeckung der Teleportation (des "Beamens"), der Quantenverschlüsselung von Daten oder ersten theoretischen Konzepten für einen Quantencomputer selbst bei einem breiten Laienpublikum auf großes Interesse stößt. Das lange Nachdenken scheint sich gelohnt zu haben. Wenn auch manch einer darüber verzweifelt sein mag.

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