Eine verständliche Einführung in die bizarren Regeln der kleinsten Teilchen unseres Universums.
Podcast auf toknow hörenHeute erkläre ich dir die Quantenmechanik, weil sie die grundlegenden Regeln unseres Universums auf der Ebene der Atomen beschreibt und damit die Basis für fast jede moderne Technologie bildet, die wir heute nutzen. In unserer sichtbaren Welt folgen Dinge klare Gesetze. Ein Ball liegt entweder im Tor oder daneben. Er bewegt sich auf einer vorhersagbaren Bahn. Doch wenn wir tief in die Materie eintauchen zu den Elektronen und Photonen, lösen sich diese Sicherheiten auf. Die Quantenmechanik zeigt uns, dass die Natur im Kern nicht aus festen Objekten besteht, sondern aus Wahrscheinlichkeiten. Es klingt erst einmal abstrakt und fast schon magisch, aber es ist die am besten belegte wissenschaftliche Theorie, die wir haben. In den nächsten Minuten werden wir sehen, warum Teilchen an zwei Orten gleichzeitig sein können, wie sie über riesige Distanzen miteinander kommunizieren und warum das Smartphone ohne diese seltsamen Effekte nur ein teurer Briefbeschwerter wäre.
Der wohl seltsamste Aspekt der Quantenwelt ist die sogenannte Superposition. In unserem Alltag ist ein Schalter entweder an oder aus. Ein Quantenteilchen wie zum Beispiel ein Elektron kann jedoch beides gleichzeitig sein. Es befindet sich in einem Zustand der Überlagerung. Stell dir einen drehenden Kreisel vor. Solange er sich schnell dreht, kannst du nicht sagen, ob die rote oder die blaue Seite oben ist, oder ist er gewissermassen beides gleichzeitig. Erst wenn du den Kreisel anhältst, also einmässig durchführst, zwingst du das System, sich für einen Zustand zu entscheiden. Ein berühmtes Experiment dazu ist das Doppelspaltexperiment. Scheisst man Lichtteilchen auf eine Wand mit zwei Schlitzen, verhalten sie sich nicht wie kleine Kugeln, die durch einen oder den anderen Schlitz fliegen. Sie verhalten sich wie Wellen, die durch beide Schlitzen gleichzeitig und sich dahinter gegenseitig beeinflussen. Das Verrückte ist, sobald wir einen Detektor aufstellen, um genau zu beobachten, durch welchen Schlitz ein Teilchen geht, verhält es sich plötzlich wieder wie eine gewöhnliche Kugel. Allein die Beobachtung verändert die Realität. Das Teilchen weiss quasi, dass es beobachtet wird und bricht aus der Superposition in einem festen Zustand aus. Es bedeutet für uns, die Welt im Kleinsten ist mehr aus Möglichkeiten und erst durch unser Hinschauen wird daraus eine eindeutige Wirklichkeit.
Kommen wir zu einem Phänomen, das selbst Albert Einstein so unheimlich fand, dass er es als geisterhafte Fernwirkung bezeichnete, die Quantenverschränkung. Stell dir vor, du hast zwei magische Münzen. Du reibst sie aneinander, sodass sie verschränkt werden und gibst einen Münzenfreund, der zum Mond fliegt, während du die andere behältst. Wenn du die Münze nun wirfst und sie zeigt den Kopf, dann wird die Münze auf dem Mond im exakt selben Moment ebenfalls Kopf zeigen, jedes Mal, ohne Ausnahme und ohne Zeitverzögerung. In der Quantenwelt können zwei Teilchen so eng miteinander verbunden sein, dass ihr Zustand unmittelbar voneinander abhängt, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Ändert man den Zustand ein Teilchen, ändert sich der Zustand des Partners augenblicklich, selbst wenn Lichtjahre zwischen ihnen liegen. Das widerspricht eigentlich unserer Intuition, dass Informationen nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit reisen können. Aber die Teilchen tauschen keine Information im klassischen Sinne aus, sie verhalten sich wie ein einziges Objekt, das an zwei Orten gleichzeitig existiert. Diese Verschränkung ist heute kein bloßes Gedankenspiel mehr. Wissenschaftler nutzen sie bereits für die Quantenkryptographie, also für absolut abhörsichere Kommunikation. Wenn jemand versucht, die Verbindung zu belauschen, würde der Zustand den Teilchen verändern und die Verschränkung würde sofort zusammenbrechen, der Betrug fliege sofort auf.
Vielleicht fragst du dich jetzt, warum du dich mit diesen bizarren Regeln beschäftigen solltest, wenn du kein Physiker bist. Die Antwort liegt direkt vor dir. Ohne die Erkenntnis der Quantenmechanik gäbe es keine moderne Elektronik. Nehmen wir den Laser, er basiert darauf, dass wir Atome gezielt anregen, damit sie Photonen in einen perfekt synchronisierten Takt aussenden, ein reiner Quanteneffekt. Ohne Laser gäbe es kein Glasfasernetz und kein schnelles Internet. Ein weiteres Beispiel sind Transistoren. Das sind winzige Schalter in den Computerchips deines Handys oder Laptops. Sie steuern den Stromfluss auf Basis der Quanten-Eigenschaften von Halblättern. Ohne das Wissen darüber, wie Elektronen sich in diesen Materialien bewegen, könnten wir keine Chips bauen, die Milliarden von Operationen pro Sekunde ausführen. Auch die Magnetresonanztomographie, kurz MRT, in der Medizin nutzt das Spin von Atomkernen eine reine Quanten-Eigenschaft, um Bilder aus dem Inneren deines Körpers zu machen, ohne dich aufzuschneiden. Und wir stehen erst am Anfang. Quantencomputer werden derzeit entwickelt, um die Superposition zu nutzen, um Millionen von Rechenwegen gleichzeitig zu gehen. Während ein herkömmlicher Computer jedes Labyrinth Schritt für Schritt absuchen muss, könnte der Quantencomputer alle Wege gleichzeitig prüfen und die Lösung sofort finden. Die Quantenmechanik ist also nicht nur eine Theorie für den Elfenbeinturm, sondern der Motor, der unsere technologische Zukunft antreibt.