100 Jahre Quantenmechanik: Was die Welt im Kleinsten zusammenhält

Die Quantenmechanik ist eine fundamentale Theorie der modernen Physik. Ihre Ausformulierung jährt sich nun das hundertste Mal, ihren Grundsatz postulierte Max Planck sogar bereits im Jahr 1900: Die Energie von Licht, also elektromagnetischer Strahlung, ist quantisiert. Mit anderen Worten: Licht, egal welcher Farbe oder Frequenz, ist aus vielen identischen Energiepaketen zusammengesetzt.

Die Quantenmechanik ist eine Theorie der kleinen Welt – der Atome und ihrer Komponenten –, die von Experimenten mit am besten getestet und bestätigt worden ist. Sie beschreibt, wie Licht in Atomen entsteht und mit Atomen wechselwirkt. Ohne die Quantenmechanik gäbe es weder Smartphones oder Computer noch die moderne Astrophysik.

Dass die Energie von Licht in eine genaue Anzahl exakt berechenbarer Pakete zerlegt werden kann, erweckt den Anschein, als wüsste man alles sehr genau. Dabei ist es gerade die Unschärfe, die die Quantentheorie beherrscht. Ein Blick in die klassische Welt des Greifbaren hilft, zu verstehen, warum.

Quantenmechanik mit Erbsen erklärt

Es ist ein Leichtes, zu messen, wo sich wann eine Erbse im dreidimensionalen Raum befindet, wenn sie vom Teller fällt, und wie schnell sie jeweils ist. So oder so ähnlich stellte sich Niels Bohr zunächst auch das Atom vor.

Elektronen sollten den Atomkern auf festen Bahnen umkreisen und zu jeder Zeit lokalisierbar sein – eben wie Erbsen jenseits des Tellers. Heute weiß man: Elektronen verhalten sich ganz anders. In der Quantenphysik sind „Erbsen“ zugleich Teilchen und Wellen. Schaut man ganz genau hin, scheint die Sicht auf die Quantenwelt vernebelt.

So befinden sich Elektronen in Atomen nicht an Ort und Stelle, sondern in sogenannten Orbitalen, die sich aus den Wellengleichungen der Elektronen berechnen lassen. Solche Orbitale sind wie diffuse Wolken oder in der Fachsprache „Aufenthaltswahrscheinlichkeitsräume“. Eine Erbse, die vom Teller gefallen ist, ist also mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit noch auf dem Tisch.

Max Planck selbst und auch später Werner Heisenberg stellten die ersten Formeln der Quantenmechanik auf. Während im Jahr 1900 bereits Max Planck das Konzept des Quants weiterentwickelte, läutete Werner Heisenberg, ehemaliger Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik, im Jahr 1925 in Göttingen die moderne Quantenphysik ein.

Max Planck (1858–1947), deutscher Physiker auf dem Gebiet der theoretischen Physik. Foto: Gemeinfrei

Sein Ziel war es, Atome mit einer Theorie zu beschreiben, die nur auf beobachtbaren Größen basiert, etwa die Helligkeit und Frequenz des Lichts. Max Born, Pascual Jordan und Werner Heisenberg machten daraus eine mathematische Theorie, mit der man rechnen konnte. Alles Weitere ging schnell.

Prof. Dr. Werner Heisenberg (1901–1976), Professor für theoretische Physik und Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik in Göttingen. Foto: Bundesarchiv, Bild 183-R57262, Autor unbekannt | CC-BY-SA 3.0 DE

Astronomin findet Wasserstoff dank Quantenmechanik

Im selben Jahr 1925 nutzte die Astronomin Cecilia Helena Payne-Gaposchkin das neue theoretische Wissen, um ihrerseits Geschichte zu schreiben. Sie wusste nun, wonach sie mit ihren Instrumenten suchen musste.

Elektronen um das Wasserstoffatom, so die Theorie, können zwischen diskreten Energiezuständen hin- und herspringen und dabei Licht bestimmter Wellenlängen aussenden. Dieses charakteristische Licht des Wasserstoffatoms beobachtete Payne-Gaposchkin mit einem Spektrografen in Sternen und legte den Grundstein für die moderne Astronomie: Laut ihren Berechnungen bestehen Sterne größtenteils aus Wasserstoff.

Die Aufnahme von EUI zeigt die Prozesse und Strukturen in der Korona der Sonne. Sie beruht auf Beobachtungsdaten vom 22. März 2023. Foto: ESA&NASA/Solar Orbiter/EUI Team

Erst viele Jahre später, im Jahr 1951, gelang es mit einem Radioteleskop nachzuweisen, dass Wasserstoff auch unsere gesamte Heimatgalaxie durchströmt. Ohne die Quantenmechanik und ehrgeizige Wissenschaftler, die sie entwickelten, wären wir wohl bis heute darüber im Dunklen geblieben, dass Wasserstoff das häufigste Element im gesamten Universum ist.

Was passiert in Schwarzen Löchern?

Auch heute, wiederum mehr als 70 Jahre später, steht die Erforschung der Quantenwelt nicht still. An einer Vielzahl von Universitäten und Einrichtungen gehen Forscher dem Licht an sich auf den Grund und erforschen höchstenergetische Teilchenstrahlung aus dem All oder an Quantencomputern.

Erst im Jahr 2023 erhielt Ferenc Krausz den Physik-Nobelpreis für seine Arbeit an Laserpulsen. Diese dauerten nur einige Attosekunden und mit ihnen lassen sich die Bewegungen einzelner Elektronen verfolgen.

Und so gibt es Dinge, an denen sich noch heute so manche Physiker und Mathematiker die Zähne ausbeißen: Die Quantengravitation – ein Versuch, die Theorie der großen Dinge, also der Schwerkraft nach Einstein, mit der Quantentheorie der kleinen Teilchen in Einklang zu bringen. Damit soll mathematisch beschrieben werden, wenn sich viel Masse in einem winzigen Punkt tummelt – wie in Schwarzen Löchern oder vor dem Urknall. Bislang jedoch steht diese Formel in den Sternen.

(Mit Material der Max-Planck-Gesellschaft)