Quantenmechanik

Physik

Harald Lesch

• Verlag: Komplett-Media Verlag
• Jahr: 2011
• ISBN:
  9783831256631
• Thema: Physical Sciences
• Thema: Astronomy & Astrophysics

DER WEG ZUR QUANTENMECHANIKWie kam man eigentlich auf den Gedanken, dass die Welt in Paketen Energie austauscht? Es begann mit Wärmestrahlung und der Stabilität der Materie.VON EINSTEIN UND HEISENBERGWas ist Licht eigentlich? Welle oder Teilchen!Was ist Materie eigentlich? Welle oder Teilchen!Einstein: Das ist unmöglich!Heisenberg: Das ist unbestimmt!VOM QUANT ZUM GELDWie kann man mit einer Theorie, die kaum zu verstehen ist, Geld verdienen? Ein Drittel des Weltbruttosozialproduktes wird mit Technik verdient, die auf der Quantenmechanik gründet: Laser, Computer, Digitalelektronik, …DER GANZ KLEINE URKNALLWenn es stimmt, dass die Quantenmechanik die Welt der allerkleinsten Teilchen richtig beschreibt, dann ist sie auch für den Beginn des Universums, den Urknall zuständig. Das Universum war nämlich anfangs kleiner als das kleinste Teilchen.

Die Welt im ganz Kleinen

Die Quantenmechanik. Das wird jetzt nicht einfach. Im Gegenteil: Es wird eher kompliziert. Das ist die Theorie, von der die Physiker selbst sagen: Man kann sie nicht verstehen. Es ist die Theorie, von der die Physiker sagen: Man muss sie hinnehmen. Sie lebt ein bisschen von dem Motto: „Der Erfolg heiligt die Mittel.“ Man macht etwas, stellt fest, dass man damit Erfolg hat, und macht dann damit weiter. Das ist Quantenmechanik.

Das einmal vorab. Wenn Sie folgend nicht alles sofort schlagartig verstehen, was ich sage, wundern Sie sich nicht. Mir wäre es an Ihrer Stelle auch nicht anders ergangen.

Quantenmechanik ist etwas ganz Merkwürdiges. Die Quantenmechanik beschreibt die Welt im ganz Kleinen.

Schauen Sie sich an. Der „Homo sapiens sapiens“ bringt so im Mittel sagen wir 80 Kilogramm auf die Waage oder 70, was Sie wollen. Hauptsache es bewegt sich im Bereich von einigen 10 Kilogramm. Wie viele Teilchen sind da jetzt drin in so einem „Homo sapiens“?

Nehmen wir einmal 100 Kilogramm. 1 Kilogramm hat 1.000 Gramm, 1 Proton wiegt 10^-24 Gramm. Jetzt können Sie schnell ausrechnen, aus wie vielen Teilchen Sie bestehen, nämlich – na, machen Sie mal, 10^-24. 10⁵ Gramm (100 Kilo), das sind 10²⁹ Teilchen. Sie bestehen aus 10²⁹ Teilchen. Das ist aber nicht alles. Sie bestehen natürlich vor allen Dingen aus Zellen, denn Sie sind genau wie ich ein biologisches Lebewesen. Dieses Lebewesen besteht aus 1 Billion Zellen.

Aber die Zelle ist schon kein „quantenmechanischer Apparat“ mehr. Das kann man leicht einsehen. Man kann die Zelle im Mikroskop betrachten, kann sehen, wie sich Zellen bewegen, wie sie sich vermehren. Die Quantenmechanik, die beginnt da, wo die Dinge – ich will Ihnen das Wort schon mal nennen – wo die Dinge „unscharf“ werden, „unbestimmt“. Wo Dinge anfangen, sich merkwürdig zu verhalten.

Ein ganz einfaches Beispiel: Nehmen wir die Welt um uns rum. Ich bin hier, Sie sind da. Sie können sich einmal kurz anfassen, damit Sie merken, dass Sie auch da sind. Jawoll, Sie spüren sich. Also da, wo Sie sind, kann ein anderer nicht sein. Der kann nicht dahin, wo Sie sind, weil er Sie verdrängen müsste. Sie verdrängen also Raum, Sie verbrauchen Raum und Sie wissen ganz genau: Ich stehe hier. Sie müssen nicht sagen: Ich kann nicht anders. Aber Sie sind da.

In der quantenmechanischen Welt ist das nicht so. Das darf auch gar nicht so sein. Eine klare Positionierung, eine klare Ortsangabe hätte katastrophale Folgen da unten, in der Welt der allerallerallerkleinsten Teilchen. Dass da etwas ist, das auch da bleibt, wenn es sich nicht bewegt. Das ist klassische Physik. Ich kann in jedem Moment die Bewegung von etwas nachvollziehen, kontinuierlich. Wenn die Welt des Allerkleinsten sich so verhalten würde, wie die Dinge um uns herum, dann würde es uns gar nicht geben.

Die Masse des Atoms

Ein konkretes Beispiel nach diesem langen Vorwort:

Da geht es um einen Zusammenhang, den Sie alle kennen. Es geht um die Anziehung von Ladungen und zwar von ungleichen Ladungen. Da haben wir das positiv geladene „Proton“, das ist ein Kernbaustein. Der Atomkern besteht aus „Protonen“ und „Neutronen“. Die Neutronen sind elektrisch nicht geladen, die Protonen aber sind positiv geladen. Nehmen wir mal so ein positiv geladenes Proton. Das kann man sich gut merken, Proton ist positiv geladen, also gut gelaunt und auf der anderen Seite ein Elektron, negativ geladen.

Was machen ungleichnamige Ladungen in dieser Welt hier um uns herum? Sie ziehen sich an. Eine brennende Lampe ist an einen Stromkreislauf angeschlossen. Dieser funktioniert nur deshalb, weil Ladungen sich in einem Leiter aufgrund von Ladungsunterschieden bewegen. Da, wo viele positive Ladungen sind, da fließen die negativen Ladungen hin, um diesen Überschuss an positiven Ladungen auszugleichen. So funktioniert das mit der Spannung in der Steckdose.

Atome bestehen zu 99,9 % in ihrer Masse aus einem Atomkern. Und in dem Atomkern gibt es Protonen und Neutronen. Das sind die richtig schweren Teilchen. So ein Proton ist im Vergleich zu einem Elektron 1.836 Mal schwerer. Ein Proton ist also rund 2.000 Mal schwerer als ein Elektron. Im Atomkern steckt also die Masse des Atoms. Und um diesen positiv geladenen Atomkern herum rast das Elektron. Das weiß man schon lange.

Das ist komisch, denn eigentlich sollte das Elektron da gar nicht sein. Nach allem, was ich Ihnen vorhin erzählt habe, dass sich positive und negative Ladungen anziehen, müssten die Elektronen, die um die Atomkerne, aus denen wir bestehen, rasen, schon längst in den Atomkern hineingefallen sein. Denn erstens ist der Atomkern viel schwerer und zweitens ist er positiv geladen.

Tja – und was würde das bedeuten? Es würde gar keine Atome geben. Das wäre etwas völlig abartiges. Es gäbe nur Kernmaterie, irgend so ein wahnsinnig dichtes Zeug. Sie müssen sich das einmal überlegen: Wenn ein Atom, nehmen wir das Wasserstoffatom, das ist das einfachste Element, so groß wäre wie das Allianz-Stadion in München und dieses eine Elektron (Wasserstoff hat ja nur ein Elektron auf seinem Grundzustand) – davon wird noch die Rede sein: energetischer Grundzustand – auf dem äußersten Tribünenrang des „Allianz-Stadions“ herumrasen würde, dann wäre der Atomkern – in diesem Fall ein Proton – so groß wie ein Reiskorn im Mittelpunkt des Anstoßkreises.

Das Atom ist also praktisch leer. Warum fällt das Elektron nicht auf dieses Reiskorn? Schließlich sind die beiden ungleichnamig geladen, das Elektron müsste mit einem Affenzahn in den Kern hinein knallen.

Ja, das ist zum Beispiel so ein Fall, weshalb man eine Theorie benötigt, eine physikalische Beschreibung, die erklärt, warum die Elektronen obschon sie die entgegengesetzte Ladung der Protonen im Atomkern haben, nicht in den Atomkern hineinfallen. Warum nicht?

Das war eine der wesentlichen Fragen zu Beginn des 20. Jahrhundert, denn man hatte ja schon etwas verstanden von der Natur der Dinge. Namentlich zum Beispiel von Ladungen. Man wusste: Es gibt elektromagnetische Wellen, also es gibt elektrische Felder, magnetische Felder. Diese merkwürdigen Dinge, die mit elektromagnetischen Feldern zu tun haben, das wusste man auch aus vielen Experimenten, verhalten sich wie Wellen. Da gibt es die Beugungserscheinungen, also das Licht ist eine elektromagnetische Welle, Radio ist eine elektromagnetische Welle, Infrarot-, Röntgenstrahlung, Gammastrahlen, alles elektromagnetische Wellen. Das wusste man und man wusste auch, dass die Materie aus Teilchen zusammengesetzt ist.

„Atomos“

Die Geschichte mit dem „Atomos“, dem „Unteilbaren“, ist eine uralte Idee, die schon Demokrit 300 vor unserer Zeitrechnung hatte: dass offenbar die Welt aus solchen „unteilbaren“ Teilchen zusammengesetzt sein sollte.

Dann fand man heraus: So unteilbar sind diese Teilchen gar nicht. Da gab es immerhin schon einmal die Elektronen, die man den Atomen entreißen konnte. Das waren die Atomüberreste, die so genannten „Ionen“. Die waren positiv geladen und das Elektron war negativ geladen. Beide konnte man mit elektrischen Feldern richtig trennen. Man konnte also sehen, wie die Elektronen auf der einen Seite des elektrischen Feldes hin zum Pluspol wandern und die positiv geladenen Ionen zum Minuspol hinlaufen.

Man hatte also schon etwas davon verstanden. Aber man bekam es nicht auf die Reihe. Auf der einen Seite hatte man diese Teilchenvorstellung: die Materie bestand natürlich aus Teilchen, denn man sah sie ja. In der Zeit vor der Quantenmechanik war völlig klar: Das Material um uns herum, wir alle, das sind alles Teilchen, das sind kleine – ich drücke das jetzt einmal ganz doof aus – Kügelchen. Elektronen sind kleine gelbe Kügelchen, Protonen vielleicht kleine rote Kügelchen, Neutronen vielleicht kleine blaue Kügelchen oder so ähnlich.

Teilchen oder Welle?

Demgegenüber stand das Licht. Und das waren offensichtlich Wellen. Obwohl Newton ein paar hundert Jahre früher schon mal gesagt hatte: Na, es könnte auch sein, dass auch Licht aus Teilchen besteht. Aber das hatte man dann relativ schnell wieder weggebügelt, nachdem es die Beugungserscheinungen an der elektromagnetischen Welle gab, vor allem an der des Lichts. Da wusste man bereits, dass das Licht eine Art Welle ist.

Und jetzt auf einmal, Anfang des 20. Jahrhunderts, bekam man ganz merkwürdige experimentelle Ergebnisse, ganz komisch. Man verstand viele Dinge nicht. Je tiefer man der Materie gewissermaßen „auf die Finger“ schaute, umso mehr stellte man fest: So, wie die Welt um uns herum ist – ich sage es noch einmal: klare Ortsbestimmung, klare Zeitbestimmung, ich weiß ganz genau, was passiert, Geschwindigkeit und so weiter – da unten scheint das irgendwie nicht zu funktionieren.

Die Ultraviolett-Katastrophe

Da hieß es dann zum Beispiel unter anderem: Damit man bestimmte Erscheinungen bei der Wärmestrahlung verstehen kann, müsste die Energie in wohldefinierten Paketen abgegeben werden. Max Planck brachte diese Idee im Jahre 1900 auf.

Nehmen wir einen ordentlichen Eisenklotz, der 2.000 Grad oder 3.000 Grad heiß ist. Zuerst ist er weißglühend und dann kühlt er ab. Dabei wird er ganz langsam blau, dann grün, dann geht er etwas ins Rote und dann irgendwann hat er eine Temperatur erreicht, wo er – zumindest sichtbar – gar nicht mehr strahlt. Er kommt also in den infraroten Bereich. Man konnte also messen, wie die Wärmestrahlung eines solchen Körpers verteilt ist.

Das „Planksche Wirkungsquantum“

Aber mit der guten alten Physik des 19. Jahrhunderts konnte man diese Verteilung, dieses „Spektrum“, überhaupt nicht verstehen. Das gab eine Katastrophe, die so genannte „Ultraviolett-Katastrophe“.

Bildlich ausgedrückt hätte man erwartet, dass die Strahlungsleistung eines Körpers unglaublich nach oben geht, de facto aber zeigte sich: Sie wächst zunächst an, aber dann geht sie auch wieder runter. Das ist das „Spektrum“ eines so genannten „Hohlraumstrahlers“, eines schwarzen Körpers, der nichts anderes macht als mit sich im Gleichgewicht zu sein und zu strahlen.

Max Planck stellt fest: Wenn ich dieses Spektrum erklären will, dann muss ich – und das brachte ihn wirklich in Depressionen, das meine ich wirklich ernst – annehmen, dass die Energie von diesem strahlendem Körper in bestimmten Paketen abgegeben wird. Und er brachte damals eine winzig kleine Zahl in die Welt, die später nach ihm benannt worden ist: Das „Plancksche Wirkungsquantum“.

Das ist die allerkleinste Wirkung, die es im Universum überhaupt gibt. Das wusste er damals noch nicht, aber er konnte diese Zahl schon 1900 sehr genau ausrechnen und stellte fest: Energie muss von diesen strahlenden Körpern in Paketen abgegeben werden:

E = h x f

„f“ ist die Frequenz, „h“ ist das „Plancksche Wirkungsquantum und „E“ ist die Energie.

E = h x f, das war die entscheidende Gleichung, die am Anfang einer Theorie steht, die unser gesamtes Konzept von der Welt, was ihre Fundamente betrifft, völlig auf den Kopf gestellt hat. Die Quantenmechanik ist eine Hammertheorie. Sie ist heute das Beste, was wir in der Physik haben. Sie ist nicht mehr hinterfragbar, sie ist eine universelle Theorie. Sie ist inzwischen schon so weit gediehen, dass wir sie gar nicht mehr überprüfen können, ohne selbst quantenmechanische Methoden zu verwenden.

Zum Beispiel der Laser – lichtverstärkende, stimulierte Emission. Das ist ein quantenmechanischer Apparat. Ein großer Teil unseres modernen Lebens basiert auf den Erkenntnissen der Quantenmechanik. Begonnen hat alles damit, dass man nicht verstand, wieso die Materie eigentlich stabil ist und wieso ein Wärmestrahler ein bestimmtes Spektrum abgegeben hat.

Sie können sich natürlich vorstellen, dass das damals zunächst einmal von der Öffentlichkeit gar nicht wahrgenommen worden ist. „Was diese Physiker da machen, ist ja alles ganz nett, aber im Grunde genommen betrifft es uns doch gar nicht.“ Wenn man damals schon gewusst hätte, was aus dieser quantenmechanischen Beschreibung der elementarsten Dinge in der Welt einmal wird, dann hätten die Leute möglicherweise entweder die physikalischen Laboratorien völlig geschlossen, weil sie Angst davor hatten oder sie hätten die allerersten Helden der Quantenmechanik auf ihren Schultern aus den Laboratorien getragen und hätten sie umjubelt. Aber wie so oft: Manche Erkenntnisse der Wissenschaft brauchen sehr lange, um in unseren Erkenntnisapparat und in unsere Köpfe hineinzukommen.

Strahlung liegt immer in „Quanten“ vor

Max Planck war im Jahre 1900 der erste, der die Idee aufbrachte: Da könnte etwas in Portionen abgegeben werden. Fünf Jahre später brachte Albert Einstein diese Idee eigentlich erst richtig auf den Punkt, indem er sagte: „Damit ich verschiedene Experimente, in diesem Fall den photoelektrischen Effekt, verstehen kann, muss ich annehmen, dass die Energie nicht nur in Portionen abgegeben wird, sondern dass sie auch in Portionen aufgenommen wird und dass sie selbst, also das elektromagnetische Licht, die elektromagnetische Strahlung, in Portionen vorliegt, in Quanten.“

Dafür hat Einstein übrigens seinen Nobelpreis bekommen, nicht für seine Relativitätstheorie. Die war so revolutionär, da hat sich das Nobelkommitee nicht so richtig getraut. Aber diesen photoelektrischen Effekt zu erklären war eine nachvollziehbar, grandiose Leistung. Ihre Grundidee: Strahlung liegt immer in Paketen vor, in Quanten.

Tja und was machen wir jetzt? Wir haben ja auf der anderen Seite auch die Beugungserscheinungen. Wir wissen ja: Elektromagnetische Strahlung ist eine Welle. Aber wir haben Experimente wie den Photoeffekt, wo sich ganz deutlich zeigt: Das Licht ist keine Welle, es ist ein Quantum.

Tja, Welle oder Teilchen? Telle oder Weilchen oder was? Was mache ich denn jetzt? Bis jetzt, bis zu diesem Zeitpunkt war immer alles klar. Es gab einen klaren Dualismus: Hier die Wellen, da die Teilchen, Feierabend. Jetzt haben wir es mit dem Phänomen zu tun, dass das Gleiche zwei verschiedene Seiten zeigt, als wenn es zu beiden Welten dazugehöre. Und es wurde noch viel schlimmer: Nicht nur, dass Licht Teilcheneigenschaften hat, 15 Jahre später fand man heraus, dass Teilchen, also Protonen, E...

Inhaltsverzeichnis

• Die Welt im ganz Kleinen