Es ist Wahnsinn und hat doch Methode. Das physikalische Phänomen des Quantensprungs hat schon einige namhafte Physiker an den Rand der Verzweiflung gebracht. Denn nichts scheint so unlogisch, unbestimmt und unvorhersehbar zu sein wie das Verhalten der Atome die letztlich unsere Welt bilden.
Der renommierte Wissenschaftshistoriker Ernst Peter Fischer erzählt die faszinierende Geschichte der Quantenphysik anhand pointierter Porträts ausgewählter Forscher wie Max Planck, Werner Heisenberg,Richard P.Feynman und "Mr. Beam" Anton Zellinger.
Eine großartige Wissenschaftsgeschichte über die kleinsten Teilchen der Natur.

1;Inhalt;7 2;Die alten Quantensprünge;9 2.1;Der doppelte Unsinn;9 2.2;Die Löcher in der Welt;13 2.3;Ein Ganzes ohne Teile;15 3;Acht Pioniere;17 3.1;1 Max Planck (18581947) Physiker, Philosoph, Politiker, Prediger;17 3.1.1;Lebensstufen;18 3.1.2;Tiefe Überzeugung und tiefes Leid;19 3.1.3;Die Farben der schwarzen Körper;22 3.1.4;Das Quantum der Wirkung;25 3.1.5;Planck und die Feinde der Wissenschaft;29 3.2;2 Arnold Sommerfeld (18681951) Der große Lehrer;33 3.2.1;Theoretische Physik;34 3.2.2;Umsturz im Weltbild;36 3.2.3;Aufspaltungen;39 3.2.4;Sommerfelds Konstante;42 3.2.5;Sommerfelds Nachfolger;43 3.3;3 Ernest Rutherford (18711937) Der Entdecker des Atomkerns;46 3.3.1;Auf dem Weg nach England;47 3.3.2;Die Verwandlung der Elemente;48 3.3.3;Auf dem Weg zum Atomkern;50 3.3.4;Probleme mit dem Kern;52 3.3.5;Nach dem Kern;53 3.4;4 Lise Meitner (18781968) Eine kluge Frau in der Männerwelt;55 3.4.1;Aller Anfang ist schwer;57 3.4.2;Der Erste Weltkrieg;59 3.4.3;Radiochemie;60 3.4.4;Betastrahlen;62 3.4.5;Das Neutron;65 3.4.6;Vertreibung;66 3.4.7;Kernspaltung;67 3.5;5 Albert Einstein (18791955) Der Mann des Jahrhunderts;70 3.5.1;Biografisches;70 3.5.2;Das Wunderjahr 1905;73 3.5.3;Das Licht;75 3.5.4;Die Quanten;79 3.5.5;Einstein und Bohr;81 3.5.6;Gedankenexperimente;82 3.5.7;Bose-Einstein-Kondensation;85 3.5.8;Einstein und die Atombombe;86 3.6;6 James Franck (18821964) Aufrecht im Sturm der Zeit;88 3.6.1;Spitzenentladungen und ihre Folgen;88 3.6.2;Zusammenstöße und andere Zustandsänderungen;91 3.6.3;Das Ende einer Kultur;93 3.6.4;Aufrecht im Sturm der Zeit;94 3.7;7 Max Born (18821970) Vom Triumph des Verstandes und dem Versagen der Vernunft;96 3.7.1;Im Schatten von Riesen;97 3.7.2;Zur Biografie;98 3.7.3;Ein Elfenbeinturm für die Wissenschaft;99 3.7.4;Noch mehr Biografisches;101 3.7.5;Die Interpretation der Quantensprünge;102 3.7.6;Physik im Wandel der Zeit;103 3.8;8 Niels Bohr (18851962) Der gute Mensch von Kopenhagen;108 3.8.1;Die Kopenhagener Deutung;110 3.8.2;Der Traum von der o
ffenen Welt;111 3.8.3;Erste Gehversuche in der Physik;112 3.8.4;Die kleinen Atome;113 3.8.5;Kopenhagener Gründungen;116 3.8.6;Die Idee der Komplementarität;118 3.8.7;Der Geist von Kopenhagen;121 3.8.8;Einsteins Paradoxon;124 3.8.9;Eine Erfahrung beim Spülen;128 3.8.10;Die Gefahr des Atoms;129 3.8.11;Für eine offene Welt;132 4;Acht Revolutionäre;135 4.1;1 Erwin Schrödinger (18871961) Die Fortsetzung der Philosophie mit anderen Mitteln;135 4.1.1;Wellen im Atom;136 4.1.2;Schrödingers Katze;139 4.1.3;Eine klassische Weltansicht;141 4.1.4;Was ist Leben? wissenschaftlich gesehen;143 4.1.5;Was ist Leben sonst noch?;145 4.1.6;Ein eigenwilliger Kauz;146 4.2;2 Louis de Broglie (18921987) Die Dualität der Materie;148 4.2.1;Das frühe Leben des Grafen;149 4.2.2;Der Nachweis;151 4.2.3;Die Schriften des Grafen;152 4.3;3 Wolfgang Pauli (19001958) Die Nachtseite der Wissenschaft;156 4.3.1;Das Wunderkind;157 4.3.2;Das Prinzip der Ausschließung;160 4.3.3;Professor mit Neurose in Zürich;162 4.3.4;Das kleine neutrale Teilchen;163 4.3.5;Briefe mit Träumen und anderen Nachtseiten;165 4.3.6;Hintergrundsphysik;169 4.4;4 Werner Heisenberg (19011976) Das selbstvergessene Genie mit tausend Talenten;173 4.4.1;Das Unbestimmte;173 4.4.2;Schönheit der Jugend;175 4.4.3;Der Weg nach Kopenhagen;178 4.4.4;Der Unpolitische in der Politik;182 4.4.5;Ordnung der Wirklichkeit;187 4.4.6;Über das Atom hinaus;188 4.5;5 Enrico Fermi (19011954) Schwache Wechselwirkungen und starke Fragen;190 4.5.1;Theoretische Kernphysik zum Ersten;191 4.5.2;Praktische Kernphysik;194 4.5.3;Theoretische Kernphysik zum Zweiten;196 4.5.4;Fermi-Fragen;198 4.6;6 Paul A. M. Dirac (19021984) Das Verlangen nach mathematischer Schönheit;201 4.6.1;Eine neue Sprache;202 4.6.2;Der Atheist;204 4.6.3;Eine Gegenwelt;206 4.6.4;Ein seltsamer Mann;209 4.7;7 George Gamow (19041968) Ein Spaßvogel in schwierigen Zeiten;211 4.7.1;Schabernack und mehr;213 4.7.2;Der Tunneleffekt;216 4.7.3;Ylem;218 4.8;8 Lew D. Landau (19081968) Streben nach Einfachhei
t und Ordnung;223 4.8.1;Frühe Stationen im Lebensweg;224 4.8.2;Im Ausland;225 4.8.3;Vielseitigkeit;226 4.8.4;Der Lehrer;230 4.8.5;Leben und Sterben in Moskau;231 5;Acht Erben;235 5.1;1 John Bardeen (19081991) Der Unbekannte mit zwei Nobelpreisen;235 5.1.1;Die Anfänge;236 5.1.2;Der Weg zu Bell;239 5.1.3;Halbleiter;241 5.1.4;Der Transistor;243 5.1.5;Supraleitung;245 5.2;2 John A. Wheeler (19112008) Der Vater der Schwarzen Löcher;249 5.2.1;Verrückt;250 5.2.2;Das Schwarze Loch;253 5.2.3;RBQs;256 5.2.4;Ein großes Geschenk;258 5.2.5;17 und 4 als Quantenspiel;259 5.3;3 Carl Friedrich von Weizsäcker (19122007) Physiker, Philosoph, Friedensforscher;261 5.3.1;Der Physiker;262 5.3.2;Der Philosoph;264 5.3.3;Von der Verantwortung;266 5.3.4;Die Kernspaltung;269 5.3.5;Der Friedensforscher;270 5.4;4 David Bohm (19171992) Die implizite Ordnung des Ganzen;273 5.4.1;Die Teile und das Ganze;274 5.4.2;Gegen die Orthodoxie;276 5.4.3;Die implizite Ordnung;278 5.4.4;Hologramme;280 5.4.5;Die Kunst und die Menschen;281 5.5;5 Richard P. Feynman (19181988) Der klügste Mann der Welt;283 5.5.1;Forscher und Lehrer;283 5.5.2;Der Spaß an den Dingen;286 5.5.3;Der Ernst des Lebens;287 5.5.4;QED;288 5.5.5;Der andere Feynman;292 5.6;6 John S. Bell (19281990) Die Präzision einer Ungleichung;296 5.6.1;Der rothaarige Ire;298 5.6.2;Was ist eine nicht-lokale Wechselwirkung?;299 5.6.3;Die Bellsche Ungleichung;302 5.6.4;Das EPR-Paradoxon;303 5.6.5;Keine außersinnliche Wahrnehmung;308 5.7;7 Murray Gell-Mann (*1929) Das Quark und der Jaguar;310 5.7.1;Quark;310 5.7.2;Der Jaguar;314 5.7.3;Ordnung im Zoo der Elementarteilchen;316 5.7.4;Die Vielfalt der Quarks;319 5.7.5;Die Konstruktion der Quarks;322 5.8;8 Anton Zeilinger (*1945) Die Welt und unsere Informationen;324 5.8.1;Bells Ungleichung digital;325 5.8.2;Mr. Beam;328 5.8.3;Quanten und Information;330 5.8.4;Quanteninformation;333 6;Die kommenden Quantensprünge;337 6.1;Quantencomputer;337 6.2;Quanten im Kopf;339 7;Literatur;341 7.1;Eigene Titel;341 7.2;Titel and
erer Autoren;341 8;Dank;345 9;Register;347

Die alten Quantensprünge

Quantensprünge kennt inzwischen jeder. Gemeint ist das Wort. Denn wer Unternehmern, Managern, Politikern oder anderen Festrednern zuhört, kann darauf wetten, dass es nicht lange dauert, bis in den jeweiligen Reden angekündigt oder gar versprochen wird, dass demnächst Quantensprünge in der Entwicklung eintreten würden. Damit sind plötzlich in Erscheinung tretende und außerordentliche Dimensionen annehmende Fortschritte sowie damit verbundene Gewinne gemeint, die dem Wohle des Volkes oder zumindest dem der Aktionäre dienen und mit deren Hilfe die Redner hoffen, die Zukunft meistern oder gestalten zu können.

Der doppelte Unsinn

Quantensprünge erfreuen sich also großer Beliebtheit, und niemand bemerkt, dass bei dieser fröhlichen Beschwörung einer wissenschaftlichen Idee und ihrer Einbettung in den sozialen Alltag das tatsächlich damit Gemeinte in doppelter Hinsicht auf den Kopf gestellt und also ziemlich unsinnig wird.

Zum einen bezeichnet die Physik, der wir das Konzept eines Quantensprungs verdanken, mit diesem Ausdruck und der entsprechenden Tatsache die allerkleinste Veränderung, die einem gegebenen Etwas – einem Atom oder einem Molekül – passieren kann, und wenn die damit verbundene Bewegung einsetzt, geht es gewöhnlich bergab, also nach unten. Ein Atom etwa, das einen Quantensprung ausführt, landet dabei zumeist in seinem Grundzustand, wie die Wissenschaft es nennt, und in dieser Position möchte es dann so lange wie möglich untätig verweilen. Ein Quantensprung bewirkt also etwas, das die erwähnten Manager und Politiker für das von ihnen Verantwortete unter allen Umständen vermeiden möchten. Und das macht die Frage unvermeidlich: Warum reden sie überhaupt von Quantensprüngen? Für außenstehende Laien gilt auf jeden Fall die Regel: W
enn sie demnächst hören, dass Wirtschaftsbosse oder führende Politikerinnen, die etwas von Physik verstehen, Quantensprünge für ein Unternehmen oder die allgemeine Lage ankündigen, und wenn sie das Gesagte ernst nehmen, dann sollten sofort alle relevanten Aktien auf den Markt geworfen bzw. eine andere Partei gewählt werden.

Während diese erste öffentliche Verdrehung einer wissenschaftlichen Einsicht inzwischen vielen auffällt, bleibt die zweite bislang noch unbemerkt. Da sie aber tiefer geht, sollte sie von allen sorgfältig bedacht werden, die sich seriös darauf einlassen wollen, die physikalische Wirklichkeit, so wie sie sich nach der Entdeckung der Quantensprünge und mit deren Hilfe darstellt, zu verstehen. Denn im Gegensatz zu den publikumswirksamen Beschwörern von (fantasierten und zugleich fantastischen) Quantensprüngen – meist begrüßen und bejubeln sie die dazugehörigen Veränderungen freudig und können eigentlich gar nicht genug von ihnen bekommen – zeigten sich die wissenschaftlichen Entdecker des ruckhaften und unsteten Verhaltens der Natur erst erstaunt und dann schockiert. Sie reagierten entsetzt, verzweifelt, erschrocken und verwirrt, wie ihren Biografien zu entnehmen ist, und sie litten unter ihren eigenen Befunden. Einige Physiker fühlten sich von der Quantenhopserei gar angewidert und angeekelt, und viele von ihnen hatten nur eines im Sinn, nämlich die unstetigen Elemente unter allen Umständen und so schnell wie möglich wieder loszuwerden. Paradox formuliert: Sie verstanden die Welt nicht mehr, obwohl sie sie gerade verstanden hatten (wie wir heute wissen und sagen können). Einer von ihnen, der Däne Niels Bohr, meinte, wer bei der Physik der Quantensprünge nicht verrückt werde, der habe sie überhaupt nicht begriffen, und seine jüngeren Kollegen zitierten als wiederkehrenden Orgelton de
n Satz, den Shakespeare seinem Hamlet in den Mund legt: »Ist dies schon Wahnsinn, so hat es doch Methode.« Wir werden diesem Hamlet-Prinzip des wissenschaftlichen Fortschritts noch häufiger im Buch begegnen. Das Besondere an ihm ist, dass es nahezu nichts mit der fiktiven Logik der Forschung zu tun hat, an der viele Wissenschaftstheoretiker bis heute festhalten.

Tatsächlich und zu unserem Glück kennt die Forschung Methoden und hält sich auch an diese, um nachvollziehbar argumentieren zu können. Gerade deshalb bedurfte es eines Akts der Verzweiflung, um die Quantensprünge überhaupt einzuführen, und es war der zwar große, aber stets bescheiden bleibende Max Planck, der ihn ziemlich pünktlich zum Beginn des 20. Jahrhunderts vollziehen konnte bzw. musste. Wenn ihn damals jemand gefragt hätte, ob ihm seine Theorie gefalle, hätte er sicher mit Nein geantwortet und hinzufügen können, »aber einer musste sie aufstellen«.

Planck wurde unfreiwillig auf den Weg zum Quantensprung geführt, als er versuchte, mit einem scheinbar schlichten Problem seiner Wissenschaft, der Physik, fertig zu werden. Es ging ihm um das Licht, das ein (möglichst schwarzer) Körper allein deshalb aussendet, weil ihm Wärme zugeführt wird. Ein Stück Eisen etwa, das in einem Ofen erhitzt wird, glüht erst rot, dann gelb und weiß, bevor es schmilzt, und die Aufgabe, die sich Planck gestellt hatte, klang harmlos genug. Er wollte herausfinden, wie die Farbe von der Temperatur abhängt – und vielleicht auch ableiten, welche Intensität das dazugehörige Licht aufweist. Er hoffte, dabei einen allgemeinen, universalen Zusammenhang zwischen dem Licht (genauer: seiner Farbe) und der Wärme entdecken zu können.

Nach langen und vergeblichen Mühen stellte Planck fest, dass er auf diese Fragestellung nur dann eine quantitativ zutreffe
nde Antwort geben konnte, die mit den immer genauer werdenden Messungen vieler Physiker übereinstimmte und somit den Tatsachen bzw. den Phänomenen gerecht wurde, wenn er Folgendes annahm: Ein schwarzer Körper sendet dadurch Licht aus, dass seine Atome Quantensprünge ausführen. In diesem Fall kann das Licht in Form von unstetigen – manchmal sagt man auch diskontinuierlichen oder diskreten – Einheiten in Erscheinung treten, deren Existenz von den Messungen nahegelegt wurde. Diese für sich in Erscheinung tretenden und isoliert wirkenden Einheiten kann man als Lichtatome bezeichnen und sich als eigenständige Pakete vorstellen. Planck bezeichnete sie in seiner Fachsprache als Quanten, weil er noch Lateinisch konnte. Eine »quantitas« bezeichnet folglich eine Menge, für die man auch »quantus« sagen kann, woraus dann das Wort »quantum« entsteht, das ausdrückt, wie viel in einer Menge ist, wie viele Quanten also im Licht zu finden sind.

Ihre Quanten wirken und entstehen, wenn Atome von einem Zustand in einen anderen wechseln, was nur geht, wenn sie plötzlich springen. Bei diesen Quantensprüngen geben sie Energie ab, nämlich in Form von Licht, und genau dies konnte Planck berechnen, und zwar mit höchster Präzision. Wie sich zeigte, erklärte sich so die Intensität des Lichts und seiner Farben, die man seit dem 19. Jahrhundert mit großem Aufwand vermessen hatte, ohne bislang in der Lage zu sein, sie zufriedenstellend deuten zu können. Jetzt endlich war Planck dem bunten Leuchten der schwarzen Körper mit den geheimnisvollen Quantensprüngen auf die Spur gekommen, und dafür hat man ihn 1918 mit dem Nobelpreis für sein Fach ausgezeichnet.

Die Löcher in der Welt

Atome also können springen und dabei leuchten. Wenn man das so unvermittelt hört, versteht man nicht, was daran bemerkenswert oder
gar schockierend sein soll. Viele Dinge können springen oder hüpfen: Mücken im Gras, Menschen in die Luft und über einen Graben, Schachfiguren auf ein anderes Feld und vieles mehr. Warum regt man sich dann über die Sprünge von Atomen auf? Die Antwort steckt in dem, was bei der diskreten Bewegung selbst zwischen den Zuständen passiert, zwischen denen gewechselt wird.

Ein Kind, das von einer Mauer auf eine Wiese hüpft, befindet sich zwischendurch im freien Fall, und zwar für alle sichtbar. In jedem Augenblick lässt sich erkennen, wo und wie sich das Kind befindet, und diese Tatsache drückt man durch das Wort »stetig« aus. Das Kind ändert seine Position beim Sprung von der Mauer somit ständig und stetig (und zwar schön nach den Gesetzen der Physik). Wenn man eine Zeichnung von dem Aufenthaltsort des Kindes während des Sprungs machen würde, bräuchte man den Bleistift nicht abzusetzen und könnte eine durchgehende Linie zu Papier bringen.

Genau das geht bei Atomen nicht mehr, die bekanntlich aus einem Kern bestehen, den Elektronen wolkenartig umhüllen. Wenn Atome Quantensprünge ausführen, bewegen sich zunächst deren Elektronen. Diese nehmen Energie auf oder geben sie ab, und zwar unstetig. Das heißt: Wenn diese elementaren Bausteine »schwuppdiwupp und mit Elan auf die nächste Quantenbahn« hopsen, dann wissen wir nur, wo sie sich vor dem Absprung befanden und wo sie nach der Landung angekommen sind. Ihr Springen selbst jedoch scheint es nicht zu geben. Atome bzw. ihre Elektronen können sich zwar in verschiedenen und getrennten Zuständen befinden, aber zwischen diesen Wirklichkeiten gibt es keine weitere Möglichkeit. Da klafft eine Lücke in der Natur, und die bleibt immer leer. Es gibt für Atome kein Dazwischen. Die Natur gesteht ihnen keinen kontinuierlichen Wandel – dadurch bedingt, da
ss sie durchgängig existieren – zu, und bei diesem Verbot bleibt sie unerbittlich. Sie verhält sich so aus gutem Grund, wie wir später noch sehen werden.

Bei einem Quantensprung muss man den Stift absetzen, wenn man ihn zeichnen will (links). Klassische Sprünge kann man als Strich zeichnen (rechts).

Anschaulich formuliert: Wer den Aufenthaltsort von atomaren Bausteinen zeichnen möchte, wenn sie einen Quantensprung ausführen, muss den Bleistift absetzen und eine durchbrochene – diskrete, lückenhafte, unstetige – Linie zu Papier bringen. Zwischen dem Ausgangspunkt und dem Endpunkt...