Quantenphysik – ein Quantum Unverständliches

 

Denn sie wissen nicht, was sie tun (alte Physiker-Weisheit)

 

Seit über 100 Jahren reden die Physiker von Quanten. Es gibt Quantenmechanik und Quantenphysik, was dasselbe ist, und die versteht keiner, auch der Physiker nicht. Nur das hält ihn nicht davon ab, mit Quantenmechanik zu arbeiten, zu forschen, und sie für Dinge des täglichen Lebens zu nutzen nach dem Motto: Ich verstehe es nicht, aber ich mache einfach mal!

 

Woher kommt überhaupt der Name? Hat der vielleicht etwas mit der Industriellenfamilie Quandt zu tun, die als Hauptaktionär von  BMW reich geworden ist? Oder etwa mit dem Minirock? Den hat schließlich eine gewisse Mary Quant erfunden. Da jedoch die superreiche Familie am Ende mit dt geschrieben wird, fällt sie schon mal aus. Mit Mary Quant und dem Minirock kommen wir der Sache näher, denn es geht um sehr kleine Teile, viel kleiner als der knappste Minirock, den man leicht mit einem Gürtel verwechseln kann. Während man den Minirock zumindest als Mann mit einem gewissen Wohlwollen betrachten kann, geht das bei den kleinsten Teilchen wie Elektronen und Photonen nicht, denn die gehorchen den Regeln der Quantenmechanik und lassen sich nicht so ohne weiteres betrachten. Der Name geht auf einen gewissen Max Planck zurück, der um das Jahr 1900 herausgefunden hat, dass sich Energie, oder genauer, wie die Physiker sagen, Wirkung nicht in beliebig kleine Teilchen oder Schübe aufteilen lässt. Zum Beispiel Lichtquanten, auch Photonen genannt, verhalten sich so, als ob sie ihre Energie in einzelnen Portionen abgeben und für diese Portionen oder Quanten gibt es eine Untergrenze, die nie unterschritten wird. Die wurde das Plancksche Wirkungsquantum genannt. Wirkung hat in der Physik die Einheit Energie mal Zeit, also Joule mal Sekunden. Das Plancksche Wirkungsquantum ist von der Zahl her natürlich mordsklein. Es sind genau 6,62607015 ⋅ 10-34 J · s. Das ist eine Zahl, die  mit 0,... beginnt, dann kommen 33 Nullen und dann die Zahlen 662607015. Also als Minirocklänge schon mal wenig geeignet.

 

Elektronen und Photonen gehören zu den kleinsten Teilchen, die der Physiker kennt, und die verhalten sich völlig verrückt, wenn man auf die wahnsinnige Idee kommen sollte, herauszufinden, an welchem Ort sich so ein Teilchen gerade befindet. Denn das Teilchen scheint an mehreren Orten gleichzeitig zu sein oder auch nirgends. Hinzu kommt, dass ein Photon gar kein richtiges Teilchen ist, denn es besitzt überhaupt keine Masse. Die einzige Aussage, die ein Physiker treffen kann, ist, dass sich zum Beispiel ein Elektron mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit an einer bestimmten Stelle befunden hat. Erst wenn er nachschaut, weiß er, wo das Teilchen gerade sein Unwesen treibt. Aber allein durch das Nachschauen hat das Teilchen seine Position entscheidend verändert.

 

Ich will das merkwürdige Verhalten von Teilchen, die der Quantenmechanik unterliegen einmal vereinfacht ausdrücken, wohlwissend, dass eine solche Vereinfachung jeden Physiker auf den Plan ruft und aufschreien lässt, das stimme so nicht ganz. Aber eben nur nicht ganz.

Also in der Quantenphysik können Teilchen an zwei oder mehreren verschiedenen Orten gleichzeitig sein. Der Physiker nennt das Superposition. Geht das eine Teilchen eine Wechselwirkung ein, also reagiert es in irgendeiner Form auf irgendetwas in seiner Umgebung, so macht das Teilchen an einem anderen Ort dasselbe. Der Physiker sagt, die Teilchen sind verschränkt. Wobei auch dem Physiker nicht klar ist, ob es tatsächlich ein anderes Teilchen ist oder dasselbe am zweiten Ort oder er selbst zwar nicht verschränkt, aber vielleicht beschränkt ist.

 

Das ist natürlich ein gefundenes Fressen für jeden Science-Fiktion-Autoren. Wenn man das auf die klassische Physik übertragen würde, befände sich zum Beispiel ein Raumschiff an zwei verschiedenen Orten im Weltraum und der Raumschiffkapitän würde durch Umlegen eines Hebels die Entscheidung treffen, an welchem von beiden Orten es auftauchen soll. Das findet der Science-Fiktion-Autor echt super, daher auch der Name Superposition.

Nur, das funktioniert leider nicht und der SF-Autor muss sich irgendein anderes dummes Zeug einfallen lassen, wie den WARP-Antrieb oder Schiff und Mannschaft in einem Schwarzen Loch (das gibt es tatsächlich) zu versenken damit es in einem Weißen (das gibt es nicht) an anderer Stelle wieder rauskommt. Manche nennen das, was der Wissenschaftler mit Verschränkung bezeichnet, auch Teleportation nach dem Motto: Beam me up, Scotty!

Warum also funktioniert die Übertragung auf die klassische Physik nicht? Erkläre ich weiter unten.

 

Aber Teilchen, die der Quantenmechanik unterliegen, können noch viel mehr. Ein Elektron oder Photon kann sich nicht nur gleichzeitig an zwei oder sogar mehreren Orten aufhalten, sondern sich auch zugleich in verschiedenen Bewegungszuständen befinden, zum Beispiel in Ruhe und in Bewegung. Sind olle Kamellen für jeden Computerfreak, wenn man das Wörtchen zugleich einmal vernachlässigt. Ruhe oder Stromkreis ausgeschaltet bezeichnet er mit Null, Bewegung oder Stromkreis an mit Eins und hat damit das Bit erfunden. Aber jetzt kommt es: Ein Quant kann darüberhinaus weitere Zustände einnehmen, nämlich Ruhe und Bewegung gleichzeitig oder von dem einen mehr und dem anderen weniger, also Null und Eins zugleich oder ein bisschen weniger Null und ein bisschen mehr Eins sowie alle Zwischenstadien. Da sagt doch jeder normal denkende Mensch: Die spinnen, die Quanten! Aber der Mensch und nicht nur der normal denkende hat eben nur einen begrenzten Verstand. Denn solchen Teilchen wie Elektronen, Photonen, Neutronen und Atomen, sowie deren Bestandteilen ist er in seiner Evolutionsgeschichte nie begegnet, folglich ist in seinem Hirn für solch ein Verhalten keine Gehirnwindung vorgesehen.

Doch das hält den Physiker nicht davon ab, diesem unmöglichen Teilchen den Marsch zu blasen und es nach seiner Pfeife tanzen zu lassen, indem er ihm sagt, wo es lang geht, und welchen Zustand es gefälligst einzunehmen hat. Dafür gab es dann sogar 2012 den Nobelpreis für Physik. Seitdem ist man dabei, dies für einen Quantencomputer zu nutzen, der wegen der vielen Möglichkeiten, die man nun hat, ein paar Millionenmal schneller wäre als das schnellste herkömmliche Gerät.

 

Zumindest ist nun auch dem Nicht-Physiker deutlich geworden, dass diese kleinsten Teilchen, die der Quantenmechanik gehorchen, sich  nach keinen Regeln der klassischen Physik verhalten, in der jedes Teilchen eindeutig durch seine Position und Geschwindigkeit bestimmt ist. Misst man bei einem der Quantenphysik unterliegendem Teilchen dessen Geschwindigkeit, so kann man keine Aussage über seine Lage treffen und umgekehrt. Das ist echt doof und da geht unserem logischen Denken dann schnell die Puste aus. Aber nicht nur uns, sondern auch dem fähigsten Physiker, der zugeben muss, dass er die Quantenmechanik nicht wirklich verstanden hat, aber hervorragend damit arbeiten kann. Wie hervorragend, erkennt auch der einfache Mann auf der Straße daran, dass er ein Handy und einen DVD-Player besitzt und bedienen, an seinem Laptop arbeiten, 10.000 Bilder auf einen millimetergroßen Speicherstick packen kann und überhaupt schon mal etwas von einem Laser gehört hat. Das alles und noch viel mehr kann er, weil diese Geräte auf der Quantenmechanik basieren und es sie ohne die Quantenmechanik nicht gäbe.

 

Solche der Quantenphysik unterliegenden Teilchen verhalten sich also in jeder Hinsicht völlig verrückt, das zeigt folgendes Experiment: Lässt man so ein Teilchen, zum Beispiel ein einzelnes Elektron, auf eine Wand zufliegen, in der sich zwei Schlitze befinden, so würde es sich für ein ordentliches Teilchen nach der klassischen Physik gehören, dass es sich entscheidet, durch welchen der beiden Schlitze es saust, wenn es nicht gerade mit dem Kopf gegen die Wand knallt. Tut es aber nicht, streckt stattdessen dem verwunderten Physiker die Zunge heraus und saust durch beide Schlitze gleichzeitig, wie man unschwer erkennen kann, wenn es auf einen Detektor trifft, der hinter den beiden Schlitzen aufgebaut ist. Und es kommt noch verrückter: Der Physiker kam nämlich auf die Idee, den Laden zur Hälfte dicht zu machen. Er hat einen Schlitz verschlossen und erst wieder geöffnet, nachdem das Elektron das Hindernis überwunden hatte, aber bevor es auf den Detektor traf. Wieder erschien es an beiden Stellen hinter der Wand auf dem Detektor. Das Elektron hat sich also durch beide Schlitze bewegt, obwohl der eine im Moment des Passierens noch geschlossen war. Damit ist unser Denken in erst Ursache, dann Wirkung auf den Kopf gestellt.

Albert Einstein konnte sich anfangs nicht mit der Quantenmechanik anfreunden. Er glaubte an einen Fehler im Konstrukt. Besonders die Aushebelung des Erst-Ursache-dann-Wirkung-Prinzips veranlasste ihn zu der Aussage: ›Gott würfelt nicht!‹

Inzwischen weiß man, dass – um in seinem Bild zu bleiben – Gott doch würfelt. Darüberhinaus ist der Physiker in der Lage, die Würfel so zu manipulieren, dass Gott beim Mensch ärgere dich nicht mit hoher Wahrscheinlichkeit keine Sechsen, der Physiker dagegen fast nur diese Augenzahl würfelt, womit Gott immer verlieren würde, und das Würfelspiel Gott ärgere dich nicht heißen müsste.

 

Wäre natürlich nicht schlecht, wenn sich die Regeln der Quantenphysik auch auf den Alltag übertragen ließen. Wäre ich ein autofahrendes Quant, könnte die Polizei mir kein Strafmandat wegen zu schnellen Fahrens unterjubeln. Sie könnte mir zwar vorhalten, dass ich mit 200 Kilometern pro Stunde zu schnell gefahren sei, aber wäre nicht in der Lage anzugeben, wo ich wie ein Verrückter durch die Gegend gesaust bin. Wenn sie aber den Ort wüsste, hätte sie keine Ahnung, wie schnell ich gefahren sei. Sie könnte mir höchstens Wahrscheinlichkeiten zum Ort oder zur Geschwindigkeit um die Ohren hauen. Nur wegen irgendwelcher Wahrscheinlichkeiten ist noch keiner eingelocht worden, schon gar nicht, wenn er ein autofahrendes Quant ist. 

 

Doch die Übertragung der Quanten- auf die klassische Physik führt leider zu Paradoxien, wie ein gewisser Herr Schrödinger mit seinem Gedankenexperiment um eine Katze, bekannt als Schrödingers Katze, nachgewiesen hat. In seinem Experiment befindet sich die Katze in einer verschlossenen nicht einsehbaren Metallbox. Ebenfalls in der Kiste befindet sich eine Giftampulle, deren Zerstörung vom Zerfall eines einzelnen radioaktiven Atoms gesteuert wird. Dieser Vorgang läuft komplett zufällig ab. Man kann zwar sagen, wie viele von 1000 Atomen binnen einer Stunde zerfallen werden. Doch es ist unmöglich, die restliche Lebenszeit für ein einzelnes Atom zu bestimmen. Das einzelne Atom gehorcht nämlich den Regeln der Quantenmechanik. Stellt sich die Frage, in welchem Zustand sich die Katze befindet?

Aus Sicht der Quantentheorie befindet sich die Katze in einer Überlagerung der beiden Zustände tot und lebendig solange wir nicht nachschauen. Einfach gesagt: Die Katze ist zu 50 Prozent tot und zu 50 Prozent lebendig. Doch sobald ein Beobachter die Kiste öffnet, entscheidet sich der Zustand der Katze.

Einer anderen gewagten Theorie zufolge, nämlich der Theorie des Multiversums, spaltet sich unser Universum in zwei sich überlagernde Parallelwelten auf, wenn wir nachschauen. In der einen ist die Katze tot in der anderen lebendig.

 

Ganz schön verrückt, das Ganze. Aber Physiker wursteln ernsthaft an diesen Theorien herum, und das weltweit, verbunden mit unglaublichen Kosten und kommen dabei sogar zu sinnvollen und alltagstauglichen Ergebnissen. Folglich muss da irgendetwas dran sein, auch wenn die Hirnwindungen von uns ›Normalos‹ nur noch Knoten schlagen und dabei gleichzeitig einen dreifachen Salto vollführen. Damit bin ich wieder bei den Quanten angelangt, denn solche Verrenkungen schaffen nur die. Womit zu vermuten ist, dass  ein jeder beim Lesen dieser Geschichte lauter verrückte Quanten in seinem Hirn produziert. Sollte sie oder er jedoch auf die Idee kommen, diese auf dem nächsten Flohmarkt oder bei Ebay zu vertickern, bitte ich um Beteiligung am Erlös.

© Ulli Kammigan