Einstein, Quantenspuk und die Weltformel (German Edition)

in der Quantenphysik unmöglich. Nicht etwa, weil unsere Geräte oder technischen Fähigkeiten nicht ausreichen, sondern weil es sich dabei um ein grundsätzliches Prinzip der Natur handelt, das rätselhafterweise allerdings nur in der Welt der kleinen Teilchen gilt. In der uns bekannten, alltäglichen Welt geht alles gewohnter Dinge. Berechenbare und konsistente Prozesse verdrängen den quantenmechanischen Spuk. Die Ursache für diesen fundamentalen Unterschied zwischen mikroskopischer und makroskopischer Welt ist bis heute nicht enträtselt und Gegenstand aktuellster Forschung.
    Die Quantenphysik ist der Schlüssel zu den fundamentalsten Fragen des Universums. Sie wirft aber auch zahlreiche neue Fragen in den Raum. Beispielsweise nach der Vereinbarkeit mit der Relativitätstheorie, der Theorie des Makrokosmos, die aber auf ganz anderen Prinzipien zu beruhen scheint. Wie kann es sein, dass im Mikround Makrokosmos derart verschiedene Naturgesetze herrschen? Lassen sich diese Naturgesetze unter einem gemeinsamen Nenner zusammenfassen? Wie lassen sich die mysteriösen Phänomene der Quantenmechanik erklären? Was verbirgt sich hinter dem Zufall?
    Auf diese und viele weitere spannende Fragen und verblüffende Phänomene aus der Welt der Quanten wollen wir in den folgenden Kapiteln einige Antworten finden.

3.1 Quantisierung von Licht, Raum und Zeit
    Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erlebte die Quantenphysik ihre grosse Pionierzeit. Physiker wie Planck, Heisenberg, Schrödinger, Dirac oder Born erarbeiteten die Theorien der Quantenmechanik und damit neben der Relativitätstheorie die zweite Säule der modernen Physik. Albert Einstein leistete mit der Lichtquantenhypothese einen wichtigen Beitrag, wobei er sich zeitlebens nicht mit der spukhaften Gestalt der Quantenphysik anfreunden konnte. Einstein war ein Geselle, der sich gerne an der Schönheit der Natur erfreute. Ihm missfiel, was immer die Eleganz und Stabilität des Universums in Frage stellte. Dazu zählte vor allem die junge Quantenphysik, die den Zufall ins Haus von Mutter Natur einziehen liess. Ein unerwünschter Gast, befand Einstein. Doch er wusste, dass er es war, der das Wesen des Lichts mit seiner Lichtquantenhypothese umgekrempelt hatte. Und damit dem unerwünschten Gast sein Geleit erwiesen hatte.
    Doch alles der Reihe nach. Was ist überhaupt dieser Quantenspuk und weshalb verändert er unser Weltbild so drastisch? Und wie um alles in der Welt können vernünftige Menschen auf die Idee kommen, eine solche Theorie zu ersinnen, die allem widerstrebt, was wir von der Natur kennen und wissen?
    Um das Jahr 1900 hatte die Wissenschaft mit einigen seltsamen Ungereimtheiten zu kämpfen, die sich zwischen der Theorie und dem Experiment ergeben hatten. Ein Knackpunkt war der so genannte photoelektrische Effekt und damit verbunden die Jahrhundertfrage, was Licht eigentlich ist. Der englische Physiker Thomas Young hatte bereits im Jahr 1802 mit seinem berühmten Doppelspaltexperiment eine schlüssige Antwort auf diese Frage geliefert. Er hatte damals gezeigt, dass sich Licht wie Wellen überlagert. Folglich musste Licht eine Welle sein, da nur Wellen solche Überlagerungen (Interferenzen) bilden können. Im Jahr 1839 entdeckte Alexandre Edmond Becquerel den photoelektrischen Effekt: Bestrahlt man eine Metalloberfläche mit Licht, werden Elektronen aus dem Metall geschlagen (siehe Abbildung 6). Das Problem dabei: In der Theorie wurden gänzlich andere Ergebnisse erwartet als sie im Experiment reproduziert werden konnten. Aus dem Ofen der Physik kam keine Pizza Hawaii, obwohl der Koch einen Haufen Ananas mit Schinken und Käse reingesteckt hatte. Das Dilemma des photoelektrischen Effekts lässt sich anhand einer Mikrowelle veranschaulichen. In der damals vorherrschenden Annahme ist das Licht eine Welle. Wellen übertragen ihre Energie kontinuierlich, das heisst über eine „längere“ Zeitspanne hinweg. Ein Paradebeispiel ist Ihre Mikrowelle. Wenn Sie Ihr Teigwarengericht in das Gerät stellen und dieses anschliessend einschalten, ist das Gericht nicht sofort warm. Es dauert eine gewisse Zeit, normalerweise zwei bis drei Minuten. Während dieser Zeit überträgt die Mikrowelle Energie auf Ihre Speise, wodurch diese erwärmt wird. Die Energie wird aber nicht sofort, sondern fortwährend – das heisst kontinuierlich – auf die Speise übertragen. Gleichermassen müsste sich das Licht beim photoelektrischen Effekt verhalten unter Youngs Annahme, dass Licht eine Welle