Im täglichen Leben verstehen wir intuitiv, wie die Welt funktioniert. Lassen Sie ein Glas fallen, und es zerbricht auf dem Boden. Schieben Sie einen Wagen und er rollt weiter. Gehen Sie zu einer Wand und Sie können nicht hindurchgehen. Es gibt sehr grundlegende physikalische Gesetze um uns herum, die wir instinktiv begreifen: Die Schwerkraft lässt Dinge zu Boden fallen, wenn man etwas schiebt, bewegt es sich, und zwei Dinge können nicht zur gleichen Zeit am gleichen Ort sein.

Um die Jahrhundertwende dachten die Wissenschaftler, dass all diese grundlegenden Regeln für alles in der Natur gelten müssten – doch dann begannen sie, die Welt der Kleinstteilchen zu untersuchen. Atome, Elektronen, Lichtwellen – all diese Dinge folgten nicht den normalen Regeln. Als Physiker wie Niels Bohr und Albert Einstein begannen, Teilchen zu untersuchen, entdeckten sie neue physikalische Gesetze, die geradezu skurril waren. Dies waren die Gesetze der Quantenmechanik, die ihren Namen von Max Planck erhielten.

„Ein Akt der Verzweiflung“

Im Jahr 1900 war Max Planck Physiker in Berlin und untersuchte etwas, das man die „Ultraviolett-Katastrophe“ nannte. Das Problem bestand darin, dass die Gesetze der Physik vorhersagten, dass, wenn man einen Kasten so erhitzt, dass kein Licht mehr herauskommt (bekannt als „Black Box“), dieser eine unendliche Menge an ultravioletter Strahlung erzeugen sollte. In der Realität geschah nichts dergleichen: Der Kasten strahlte in verschiedenen Farben, rot, blau, weiß, genau wie erhitztes Metall, aber es gab keine unendliche Menge von irgendetwas. Das ergab keinen Sinn. Es gab physikalische Gesetze, die perfekt beschrieben, wie sich das Licht außerhalb des Kastens verhielt – warum beschrieben sie nicht genau dieses Black-Box-Szenario?

Planck versuchte einen mathematischen Trick. Er nahm an, dass das Licht nicht wirklich eine kontinuierliche Welle war, wie alle annahmen, sondern dass es vielleicht nur mit bestimmten Energiemengen, den „Quanten“, existieren konnte. Planck glaubte nicht wirklich, dass dies für das Licht zutraf, und bezeichnete diesen mathematischen Trick später als „Verzweiflungstat“. Aber mit dieser Anpassung funktionierten die Gleichungen und beschrieben die Strahlung der Box genau.

Es dauerte eine Weile, bis sich alle einig waren, was dies bedeutete, aber schließlich interpretierte Albert Einstein die Planckschen Gleichungen dahingehend, dass man sich Licht als diskrete Teilchen vorstellen kann, genau wie Elektronen oder Protonen. Im Jahr 1926 nannte der Physiker Gilbert Lewis aus Berkeley sie Photonen.

Quanten, Quanten überall

Dieser Gedanke, dass Teilchen nur Energieklumpen in bestimmten Größen enthalten können, zog auch in andere Bereiche der Physik ein. Im Laufe des nächsten Jahrzehnts bezog Niels Bohr sie in seine Beschreibung der Funktionsweise eines Atoms ein. Er sagte, dass Elektronen, die sich um einen Atomkern bewegen, nicht beliebig kleine oder beliebig große Energiemengen haben können, sondern nur ein Vielfaches eines Standard-„Quants“ an Energie.

Schließlich erkannten die Wissenschaftler, dass dies erklärt, warum manche Materialien Elektrizität leiten und andere nicht – weil Atome mit unterschiedlich energiereichen Elektronenbahnen Elektrizität unterschiedlich leiten. Diese Erkenntnis war entscheidend für den Bau eines Transistors, da der Kristall in seinem Kern aus einer Mischung von Materialien mit unterschiedlicher Leitfähigkeit besteht.

Aber sie sind auch Wellen

Hier ist eine der Eigenheiten der Quantenmechanik: Nur weil ein Elektron oder ein Photon als Teilchen betrachtet werden kann, heißt das nicht, dass es nicht auch als Welle betrachtet werden kann. Tatsächlich verhält sich Licht in vielen Experimenten viel mehr wie eine Welle als wie ein Teilchen.

Dieser Wellencharakter führt zu einigen interessanten Effekten. Wenn sich zum Beispiel ein Elektron, das sich um einen Atomkern bewegt, wie eine Welle verhält, dann wird seine Position zu einem bestimmten Zeitpunkt unscharf. Das Elektron befindet sich nicht mehr an einem konkreten Punkt, sondern ist im Raum verteilt. Diese Verschmierung bedeutet, dass sich Elektronen nicht immer so bewegen, wie man es erwarten würde. Anders als Wasser, das in einem Schlauch in eine Richtung fließt, können Elektronen, die sich als elektrischer Strom fortbewegen, manchmal seltsame Wege nehmen, vor allem, wenn sie sich in der Nähe der Oberfläche eines Materials bewegen. Darüber hinaus können sich Elektronen, die sich wie eine Welle bewegen, manchmal direkt durch eine Barriere graben. Das Verständnis dieses seltsamen Verhaltens der Elektronen war notwendig, als die Wissenschaftler versuchten zu kontrollieren, wie der Strom durch die ersten Transistoren floss.

Was ist es nun – ein Teilchen oder eine Welle?

Wissenschaftler interpretieren die Quantenmechanik so, dass ein winziges Stück Material wie ein Photon oder ein Elektron sowohl ein Teilchen als auch eine Welle ist. Es kann beides sein, je nachdem, wie man es betrachtet oder welche Art von Experiment man durchführt. Tatsächlich wäre es vielleicht genauer zu sagen, dass Photonen und Elektronen weder ein Teilchen noch eine Welle sind – sie sind undefiniert bis zu dem Moment, in dem jemand sie ansieht oder ein Experiment durchführt und sie damit zwingt, entweder ein Teilchen oder eine Welle zu sein.

Dies hat noch andere Nebenwirkungen: nämlich, dass eine Reihe von Eigenschaften von Teilchen nicht genau definiert sind. Es gibt zum Beispiel eine Theorie von Werner Heisenberg, die Unschärferelation. Sie besagt, dass ein Forscher, der die Geschwindigkeit und die Position eines Teilchens messen will, beides nicht sehr genau machen kann. Wenn er die Geschwindigkeit sorgfältig misst, kann er die Position nicht annähernd so gut messen. Das bedeutet nicht nur, dass er nicht über ausreichend gute Messinstrumente verfügt – es ist viel grundlegender als das. Wenn die Geschwindigkeit gut ermittelt ist, dann gibt es einfach keine gut ermittelte Position (das Elektron ist wie eine Welle verschmiert) und umgekehrt.

Albert Einstein mochte diese Idee nicht. Als er mit der Vorstellung konfrontiert wurde, dass die Gesetze der Physik Raum für solche Unklarheiten ließen, erklärte er: „Gott würfelt nicht mit dem Universum.“ Dennoch akzeptieren die meisten Physiker heute die Gesetze der Quantenmechanik als eine genaue Beschreibung der subatomaren Welt. Und sicherlich war es ein gründliches Verständnis dieser neuen Gesetze, das Bardeen, Brattain und Shockley bei der Erfindung des Transistors half.

Ressourcen:
— Wohin geht die Seltsamkeit? Warum die Quantenmechanik seltsam ist, aber nicht so seltsam, wie Sie denken, David Lindley
— Was ist Quantenmechanik? A Physics Adventure, Transnational College of LEX
— The Handy Physics Answer Book, P. Erik Gundersen
— Albert Einstein-Ausstellung im American Institute of Physics
— Heisenberg-Ausstellung im American Institute of Physics