Wie die Quantentheorie unsere Welt verändert
Helgoland ist ein Buch von Carlo Rovelli, das die Geschichte der Insel Helgoland erzählt und wie sich ihre Rolle im Laufe der Zeit verändert hat. Es bietet faszinierende Einblicke in die Natur und die Menschheit.
Das frühe 20. Jahrhundert war eine spannende Zeit für junge und ambitionierte Forscher. Der dänische Physiker Niels Bohr hatte soeben eine bahnbrechende Entdeckung gemacht: Elektronen – jene kleinen, negativ geladenen subatomaren Teilchen – schwirren nicht einfach wild um Atomkerne herum. Sie werden auch nicht willkürlich in die Umgebung ausgestrahlt. Sie bewegen sich auf festen, spezifisch geladenen Kreisbahnen um den Kern, wie winzige Planeten im Orbit einer Sonne.
Der junge Heisenberg auf Helgoland stellte sich daraufhin folgende Frage: aber warum? Warum sollten sich Elektronen auf feste Kreisbahnen zwängen lassen? Und wie konnte es dann sein, dass Moleküle, die aus atomaren und subatomaren Teilchen bestehen, ihr Energieniveau veränderten? Sollte das bedeuten, dass Teilchen wie Elektronen unter bestimmten Umständen doch ihren Orbit verlassen? Aber wie? Getrieben von seinen Fragen kam Heisenberg einem Phänomen auf die Schliche, das wir heute als Quantensprung bezeichnen.
Damals konnte die Wissenschaft noch nicht erklären, warum Elektronen Atomkerne auf festen Bahnen umkreisen oder warum sie ihre Ladung verändern und zwischen diesen Bahnen springen. Bislang beschrieb die klassische Physik die Bewegung von Teilchen lediglich anhand diskreter Werte für Variablen wie Position, Geschwindigkeit und Energie. Für Elektronen ließen sich solche Variablen aber nur in jenen Momenten bestimmen, in denen Elektronen von einer Kreisbahn auf die andere sprangen und dabei ihr Energieniveau änderten.
Um das Rätsel zu lösen, konzentrierte sich Heisenberg daher auf das, was sich tatsächlich beobachten ließ: die Frequenz und Stärke des Lichts, das während dieser Sprünge emittiert wurde. Dafür löste er sich von den Gesetzen der klassischen Physik und ersetzte jede separate Variable durch eine Matrix mit all den potenziell möglichen energetischen Veränderungen. Die Mathematik dahinter war extrem komplex, aber die Ergebnisse passten exakt zu dem, was Bohr beobachtet hatte.
Derweil wählte ein weiterer Physiker namens Erwin Schrödinger einen anderen Ansatz. Er begriff Elektronen nicht als konkrete, punktförmige Teilchen, sondern als elektromagnetische Wellen, die Atomkerne wie Strahlung umgaben. Auch seine simpleren Wellenfunktionen passten zu Bohrs Ergebnissen. Doch es gab einen Haken: Wenn Elektronen sich wie Wellen bewegen, warum konnte man sie dann im Moment einer Aufnahme als klare, diskrete Partikel wahrnehmen?
Wie ließen sich diese scheinbar inkompatiblen Modelle vereinen und die identischen Ergebnisse erklären? Die Antwort lieferte ein dritter Denker namens Max Born. Heisenbergs Matrizen lieferten die Ergebnisse für die Beobachtung von Elektronen. Und Schrödingers Wellenfunktionen erklärten, wie wahrscheinlich diese Ergebnisse waren.
Born erkannte, dass Elektronen sich so lange als Wellen bewegen, bis sie von einem Außenstehenden beobachtet werden. Nur dann, im Moment der Beobachtung, kollabieren sie zu einem konkreten Punkt. Doch dieses Ergebnis war nicht zuverlässig. Man konnte immer nur eine gewisse Wahrscheinlichkeit dafür formulieren, dass sich ein Elektron an einem bestimmten Ort aufhielt. Das war die Geburt der Quantenphysik.
Kurzum: Heisenbergs Überlegungen führten zum neuen und komplexen Feld der Quantenphysik. Eine Physik, die neu und besser als die klassische Physik definieren wollte, warum sich bestimmte Teilchen wie subatomare Partikel bewegen.
Die essenzielle Frage blieb aber trotz dieser neuen Fokussierung bestehen: Warum? Warum verhalten sich Elektronen auf diese Weise?
Helgoland (2021) ist eine verträumte und poetische Einführung in die Quantenphysik. In diesen Blinks skizzieren wir die Grundzüge dieser Theorie über die bizarre Welt der subatomaren Teilchen, in der nichts so sicher scheint, wie wir immer denken.
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