Quanteneffekte

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts entdeckten Physiker die Quantenwelt. Die Gesetze, die in dieser mikroskopischen Welt der Teilchen und Atome gelten, entpuppten sich als grundlegend anders als in der uns bekannten makroskopischen Welt.

Vor rund hundert Jahren entdeckten Physiker, dass sich die Welt auf den kleinsten Skalen nicht mit den Gesetzen der klassischen Physik beschreiben lässt: Die Bausteine der Materie – also Atome und deren Bestandteile: Protonen, Neutronen und Elektronen – aber beispielsweise auch Lichtteilchen, zeigen ein gänzlich anderes Verhalten als wir es aus unserer Alltagswelt kennen.

Im Gegensatz zu makroskopischen Gegenständen besitzen Quantenteilchen beispielsweise neben ihren Teilcheneigenschaften auch Welleneigenschaften. So lassen sich etwa bei Elektronen, Atomen und sogar relativ großen Molekülen unter bestimmten Bedingungen typische Wellenphänomene wie Beugung oder Interferenz beobachten. Dieses Verhalten hat weitreichende Konsequenzen: Solange man nicht nachsieht, lässt sich beispielsweise nicht exakt angeben, wo sich ein Atom oder Elektron gerade befindet. Nicht, weil man es nicht weiß, sondern weil das Quantenteilchen gleichzeitig an verschiedenen Orten zu sein scheint.

Erst die Theorie der Quantenmechanik – entwickelt von Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und anderen Physikern – lieferte Konzepte, um die Vorgänge in der Quantenwelt zu beschreiben. An die Stelle der klassischen Bewegungsgleichungen tritt dabei eine Wellenfunktion: Sie umfasst etwa alle möglichen Aufenthaltsorte – oder allgemeiner: Zustände – eines Quantenteilchens und erlaubt Aussagen darüber, wie wahrscheinlich die verschiedenen Zustände sind. Erst durch eine Messung endet die wellenartige Überlagerung aller möglichen Zustände und das Quantensystem legt sich zufällig auf einen eindeutigen Wert fest. Die Beobachtung verändert also das Quantensystem – in der klassischen Physik undenkbar.

Eine weitere Eigenheit der Quantenwelt zeigt sich, wenn man bestimmte physikalische Größen – wie Ort und Geschwindigkeit – eines Teilchens gleichzeitig misst: Egal wie genau die Messmethode auch sein mag, die beiden Eigenschaften lassen sich nicht gleichzeitig exakt bestimmen. Ist die Position eines Teilchens sehr genau bekannt, ist seine Geschwindigkeit weitestgehend unbestimmbar. Umgekehrt wissen wir kaum etwas über seinen Aufenthaltsort, wenn wir seine Geschwindigkeit sehr genau kennen. Der Physiker Werner Heisenberg beschrieb diese für Quantenteilchen charakteristische Gesetzmäßigkeit mit seiner berühmten Unschärferelation.

Obwohl diese und weitere Quanteneffekte nicht nur den Prinzipien der klassischen Physik widersprechen, sondern auch unseren Erfahrungen – bisher stimmen alle Experimente mit den Vorhersagen der Quantenphysik überein. Und die neuen Konzepte haben längst nicht nur die Physik revolutioniert, sondern auch viele Technologien ermöglicht, die für uns heute selbstverständlich sind: Laserdrucker, Transistoren und damit Computerchips oder bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomografie würde es ohne das Wissen um die Physik der Quanten nicht geben.