Zu Weihnachten ein Quantensprung

Ich möchte Ihnen gerne zu Weihnachten all das erklären, was Sie schon immer wissen wollten, aber sich nicht getraut haben zu fragen. Jetzt werden Sie erfahren, was das Wörtchen „warum“ bedeutet, was ein Quantensprung ist und was nun wirklich die kleinsten Teilchen sind. 

Warum?

Fast so berühmt wie Albert Einstein war in den USA der Physiker Richard Feynman. Er war bekannt dafür, dass er die kompliziertesten Dinge ganz einfach erklären konnte. 

Ein Journalist wollte das auf die Probe stellen und fragte ihn in einem Interview, warum sich zwei Magneten manchmal abstoßen und manchmal anziehen würden. Aber anstatt über Magnetismus zu reden, klärte Feynman den Mann über die Bedeutung des Wortes „warum“ auf. Das ging etwa so:

Ein Kind kommt nach Hause und erfährt, dass Tante Minnie im Krankenhaus ist. „Warum?“ fragt das Kind. „Weil die Ambulanz sie da hin gebracht hat“. „Warum?“ – „Weil sie sich die Hüfte gebrochen hat.“ „Warum?“ – „Weil sie ausgerutscht ist und hingefallen.“ „Warum?“ – „Weil es kalt war und der Weg vereist.“

An diesem Punkt wird das Kind vermutlich aufhören zu fragen, denn es ist selbst schon mal auf Eis ausgerutscht. Das überraschende Phänomen, nämlich dass Tante Minnie nicht da ist, wurde also erklärt durch die alltägliche Beobachtung, dass Eis glatt ist. Diese Tatsache ist allgemein akzeptiert und das „warum“ hat damit ein Ende. Das heißt natürlich keineswegs, dass allgemein bekannt ist, „warum“ Eis glatt ist. Man weiß nur, „dass“ es so ist. Die Wissenschaft nun hinterfragt auch die alltäglichsten Dinge und versucht Gesetzmäßigkeiten zu finden, die möglichst viele unterschiedliche Phänomene gemeinsam erklären. Feynman machte dem Reporter dann klar, dass die Kraft zwischen den Magneten auf der elektromagnetischen Wechselwirkung beruht, und dass letztere auch die Ursache dafür sei, dass sein Arm, trotz Schwerkraft, auf der Armlehne des Sessels liegen bleibt und nicht darin versinkt. 

Wir wissen nicht, ob der Journalist mit der Antwort zufrieden war, aber auf jeden Fall hatte er jetzt gelernt, dass man wissen sollte, warum man fragt, bevor man fragt „warum“.

Willkommen bei den Quanten

Die Theorie des Elektromagnetismus kann also viele unterschiedliche Phänomene erklären: sowohl die Magneten als auch die Armlehne.

Eine andere wichtige physikalische Theorie beschreibt das Verhalten von Gegenständen unter dem Einfluss der Gravitation: etwa den Lauf des Mondes um die Erde oder den Fall eines Apfels vom Baum. Das wird auch als Newtonsche Mechanik bezeichnet, weil sie von jenem im 17. Jahrhundert entwickelt wurde. Mit diesen beiden Theorien kann man schon eine ganze Menge erklären, aber noch nicht alles.

Sicherlich haben Sie schon einmal den Begriff „Quantensprung“ gehört. Etwa dass jemand sagt, die Entdeckung von Penicillin sei ein Quantensprung für die Medizin gewesen. Der hat dann zumindest nichts von Physik verstanden. Und zwar deswegen:

Vor gut hundert Jahren zerbrach man sich den Kopf, wie wohl die Atome funktionieren. Die sind ja so ähnlich aufgebaut wie das Sonnensystem: in der Mitte eine schwere Masse, der Atomkern. Um ihn kreisen, wie Planeten, die Elektronen. Was lag da näher, als die ganze Sache mit Newtons Physik zu beschreiben, die sich ja am Himmel schon so gut bewährt hatte. Insbesondere lag das nahe, weil die Anziehungskräfte zwischen Sonne und Planeten, ebenso wie zwischen Kern und Elektronen, mit dem Quadrat der Entfernung abnehmen. 

Aber da war die Ähnlichkeit dann zu Ende. Man fand heraus, dass die Elektronen in allen Atomen auf ganz bestimmten Bahnen laufen, während sich die Planeten bei der Schöpfung des Universums diejenige Bahn um die Sonne ausgesucht haben, der ihnen gerade gefiel.

Aber nicht nur bei Atomen, bei allen Objekten, die so winzig klein sind, fand man heraus, dass sie sich nicht kontinuierlich verändern können, sondern dass ihnen nur ganz bestimmte Zustände zur Verfügung stehen. Ein Apfel im Garten etwa durchläuft bei seinem Fall zum Boden unendlich viele verschiedene Zustände; seine Höhe über Grund nimmt kontiunuierlich ab. Wären unsere Apfelbäume aber so winzig klein wie Atome, dann würde der Apfel auf einer Leiter vom Baum steigen, und jede Sprosse wäre ein anderer „Quantenzustand“ und jeder Schritt abwärts ein „Quantensprung“.

Ein Quantensprung ist also die kleinst-mögliche Veränderung, die ein atomares oder sub-atomares Gebilde ausführen kann. Mit solch einem Vergleich würden wir dem Penicillin und seinem Entdecker sehr Unrecht tun, denn das war ein gigantischer Schritt vorwärts.

Die allerkleinsten Teilchen

Die Spielregeln für Atome und Co, genannt Quantenmechanik, wurden vor 100 Jahren entdeckt, und sie waren eine gewaltige Bereicherung der Physik über Mechanik und Elektromagnetismus hinaus. Es gab aber, und es gibt immer noch Geheimnisse.

Die alten Griechen dachten, dass, wenn man Materie, etwa ein Stück Eisen, in immer kleinere Stückchen teilt, dass man dann irgendwann an einen Punkt kommt, wo das Teilen sein Ende hat. Diese kleinsten, unteilbaren Fragmente nannten sie Atome. Damit lagen sie einerseits ganz richtig, denn das kleinste Stück Eisen, das es gibt, ist tatsächlich ein Eisen-Atom. Das allerdings kann man dann noch weiter teilen, wobei diese Bruchstücke dann allerdings nicht mehr „aus Eisen“ sind. Wie oben schon erwähnt, besteht ein Atom ja aus Elektronen und dem Kern, und der Kern seinerseits ist aus Neutronen und Protonen zusammengesetzt. Sind das denn nun endlich die allerletzten kleinen Teilchen, sind das die ultimativen Bausteine des Universums oder sind die selbst noch teilbar?

Dieser Frage hat man viele Überlegungen gewidmet und man hat gigantische Maschinen gebaut, so genannte Beschleuniger, um die Sache im Experiment zu untersuchen. Und was hat man gefunden? Mehr, als man wollte. Man hat heute einen ganzen Zoo voller mehr oder weniger exotischer Individuen, von denen man annimmt, dass sie unteilbar sind.

Für diesen Zoo hat man ein Gehege gebaut, das so genannte „Standard Modell“, welches 17 Käfige hat für die vermutlich 17 verschiedenen Elementarteilchen. An dieser Stelle eine bedauerliche Nachricht: Protonen und Neutronen, die Bausteine der Atomkerne, sind nicht dabei. Sie bestehen ihrerseits aus drei echten Elementarteilchen, den so genannten „Quarks“. 

Das zumindest ist der heutige Stand der Kenntnis. Aber die Wissenschaftler in der Teilchenphysik sind immer offen für neue Ideen und neue Teilchen, denn sie wurden ja immer wieder von der Wirklichkeit überrascht. Das ist ganz anders als bei den Klimaforschern, die sich noch nie geirrt haben, deren Behauptungen in Stein gemeißelt sind, und die daher jegliche Kritiker mit Acht und Bann strafen. 

Schnell genug?

Ein Zoo kann verwirrend sein. Da stößt man etwa auf eine Riesenfledermaus vom Amazonas, direkt daneben schläft ein Stachelschwein, und im Tümpel versteckt sich ein Waran. Im Teilchenzoo herrscht ein ähnliches Durcheinander. Hier ein Beispiel, das Ihnen zeigen soll, wie bizarr es da zugeht.

Die Teilchen haben, wie jegliche Materie, eine Masse. Dank Einsteins Gleichung E = mc[hoch]2 wissen wir, dass die Masse zunimmt, wenn sich ein Gegenstand schnell bewegt, weil die Bewegungsenergie selbst Masse hat. Und wenn wir uns der Lichtgeschwindigkeit nähern könnten, das sind ziemlich genau eine Milliarde km/h, dann würde die Masse unendlich groß. Und dennoch gibt es Teilchen, die genau mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind. Die haben auch Masse, die allerdings nur aus ihrer Energie besteht. Deswegen können diese Kandidaten nicht langsamer werden, sie sind immer mit einer Milliarde km/h unterwegs.

Während Sie gerade lesen, treffen Unmengen dieser Teilchen auf Ihren Körper, einige davon in Ihre Augen, landen dort auf der Netzhaut und werden von Ihrem Nervensystem letztlich als Buchstaben in einem Text über Physik interpretiert. Es sind Photonen, Lichtteilchen, die ganz legitim mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind.

Man bemüht sich natürlich, alle Bewohner dieses Zoos unter einen Hut zu bringen. Man versucht zu verstehen, „warum“ es genau diese Teilchen gibt und keine anderen. Dazu wurde die Quantenfeld-Theorie erfunden. Hier hat der eingangs erwähnte Physiker ganz wesentlich beigetragen – unter anderem die berühmten Feynman-Diagramme, von denen eines diesen Artikel ziert.

Diese Theorie hat übrigens behauptet, dass es ein Schwergewicht unter den Teilchen geben müsste, das noch nie jemand beobachtet hat, namens „Higgs Boson“. Das war 1964. Ein halbes Jahrhundert lang musste man mit den kompliziertesten Apparaturen nach dem Teilchen forschen, bis man es endlich fand. Es ist ein Triumph für die Wissenschaft, wichtig genug, dass auch die Tagespresse davon berichtete.

Bei der nervenaufreibenden Suche fiel sicher auch einmal ein Fluch wie: „Wo versteckt es sich denn, das gottverdammte Teilchen.“ Daraus machten Journalisten dann das „Gottesteilchen“. 

Die Entdeckung dieses Higgs Bosons hat vorerst keine Konsequenzen für das alltägliche Leben, es ist nur eine wichtige Ergänzung zur existierenden Kollektion der Elementarteilchen; etwa so, wie es ein australischer Wombat im Zoo der Tiere wäre.

The Theory of Everything

Da haben wir uns jetzt einige sehr erfolgreiche physikalische Theorien angeschaut. Aber eine einzige Theorie, die alles beschreibt, das wäre noch schöner, das wäre der Heilige Gral der Physik. Aber auch wenn man diese Weltformel fände, ginge das Fragen trotzdem weiter: „Und warum sieht diese Formel nun genau so aus und nicht anders?“ 

An dieser Stelle hilft dann die Feststellung eines anderen genialen Physikers weiter. Der Entdecker der „Unschärferelation“, Werner Heisenberg, erkannte: "Der erste Schluck aus dem Becher der Wissenschaft führt zum Atheismus, aber auf dem Grund des Bechers wartet Gott.“

Ich wünsche Ihnen frohe Weihnachten.

Dieser Beitrag erschien zuerst bei www.think-again.org und im Buch „Grün und Dumm“ 

Foto: Tim Maxeiner

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Leserpost

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giesemann gerhard / 26.12.2020

Als erstes Antibiotikum kann das “Salvarsan” gelten, um 1910 von Paul Ehrlich, zusammen mit einem japanischen Wissenschaftler entwickelt, gegen den Erreger der Syphilis und andere Spirochäten. Nach ihm ist das PE-Institut benannt. Ehrlich testete damals alle neuen Farbstoffe, die aus den Küchen u.a. der Farbwerke Hoechst kamen zum Färben von Präparaten unterm Mikroskop. Seine Studenten witzelten dann stets, wenn wieder einmal die ganze Nacht über das Licht im Labor brannte: Ehrlich färbt am längsten. Wenn Heisenberg Hof hielt in Göttingen, dann stand im Vorlesungsverzeichnis: Heisenberg mit Hund um 10 Uhr c.t. Friedrich Hund war damals Vorlesungsassistent; er ist tatsächlich 100 geworden, ein Altmeister der Quantenmechanik auch er, er hatte sogar seine eigene Regel, die Hund’sche - was sonst. Im Streit mit seinem Kollegen Dirac, der ein ausgewiesener Atheist war, soll Heisenberg mal gesagt haben: Es gibt und es gab keinen Gott, und Dirac ist sein Prophet. Dem Heisenberg seine Unschärfe in Ehren, viel wichtiger für uns Sterbliche ist wohl eher die Unschärfe des Denkens. Die Lichtgeschwindigkeit ist im Vakuum am größten, es handelt sich um die Phasengeschwindigkeit einer Nahwirkung. In Materialien wie Glas etwa ist sie nur ca. zwei Drittel der Phasengeschwindigkeit im Vakuum. Alles schnellere sind Tachyonen nach Gerald Feinberg - nicht zu verwechseln mit Feynman. Feynman stellte die Verhältnisse bei der QED sehr anschaulich dar - q.e.d. quod erat demonstrandum. Wir einfachen Chemiker sprachen gerne von HOMOs und LUMOs, will heißen “highest ocuppied molelular orbital” vs. “lowest unoccupied MO. Aber wir waren auch schon weiter, hatten es mehr mit Molekeln und weniger mit schlichten Atomen wie der noch einfachere Physiker ... . Viel nützlicher, das. φυσικός - physikos, na klar. Zum Verständnis der Quantenphysik genügt daher eine rudimentäre Kenntnis des griechischen Alphabets. H psi = E psi, steht auf Schrödingers Grabstein in Graz.

RMPetersen / 26.12.2020

Danke für den amüsanten Text. Er wird allerdings keinen Minister davon abhalten, den Texten seiner Schreiberlinge entsprechend einen “Quantensprung” zu bejubeln, wenn etwas wesentliches gemeint ist. Lassen Sie mich etwas mäkeln: Ist wirklich das “Higgs Boson“ gefunden worden? Meiner Ansicht nach nicht. Es wurden Messungen so interpretiert, dass sie in ein ausgedachtes, plausibel klingendes Teile-Schema passen. Ob es dies Teil gibt oder nicht, ist nach wie vor ungewiss. Es ist immer noch eine Theorie. Möglicherweise wird sie im kommenden Jahr wiederlegt. Eine Theorie beweisen geht ja nicht, wie wir alle wissen.

Boris Kotchoubey / 26.12.2020

Ein Quantensprung ist die einzig mögliche Veränderung im Gehirn jener Journalisten, die vom Quantensprung schreiben.

Karlheinz Patek / 26.12.2020

@Bernd Zeller. Darauf habe ich hier gewartet dass noch jemand mit der Entropie (der Lieblingsparameter aller Weltenlauf-Erklärer) daherkommt, unter den hier heute anwesenden selbsternannten Teilchenphysiker/Innen (ausnahmsweise gender). Und tatsächlich. Wenn Sie schon einen Entropiezuwachs sehen, dann müssen Sie auch sagen was Sie unter “gesamten Raum” verstehen. Sowas schreibt sich halt leicht, nicht wahr. Wo sind denn ihre exakten Systemgrenzen? Ansonsten vergessen Sie ihre Entropie schnell wieder. Die 2 Wörter allein sind bisschen mager.

Hans-Peter Dollhopf / 26.12.2020

“Der erste Schluck aus dem Becher der Wissenschaft führt zum Atheismus, aber auf dem Grund des Bechers wartet Gott.” Gott, oder Roger Penrose.

A. Ostrovsky / 26.12.2020

Mir fällt noch was ein: Der Werner Heisenberg, der für den Endsieg die Uranspaltung erforscht hat, oder doch nicht, hat er nun für seinen Führer die Bombe bauen wollen, oder doch für die Zeit nach den Nazis? Wusste er, dass diese Zeit die Bombe dringender gebraucht hat, als Hitler? Oder war es doch so, dass er gar nicht die Bombe wollte, sondern die Energiegewinnung, die man heute als “friedliche Nutzung” bezeichnet, wenn auch nicht in allen Ländern. War der Atomunfall auf dem Güterbahnhof in Leipzig etwa die erste Kernschmelze eines überkritischen Reaktors gewesen und war es wirklich Heisenberg, der das vertuscht hat und hat er es wirklich vertuscht, damit Hitler nicht erfährt, dass Heisenberg und Göpel schon die Bombe bauen konnten? Also der große Heisenberg, den man heute noch zitiert, war jedenfalls kein Karrierist und der hatte noch nicht mal eine jüdische Frau. Nicht wie Rühmann, dem man alles vorwerfen muss, weil er nicht für den neuen Kalten Krieg gearbeitet hat. Ich finde, wenn ich vor die Wahl gestellt würde, im ZDF einen Folm von Rühmann oder einen Film von Heisenberg zu sehen, würde ich beide nicht sehen, weil ich gar keinen Fernseher habe und das ist gut so. Naaa, aber Sie haben doch da ein neuartiges Empfangsgerät, bzw. halten das vor sich…. Jetzt habt ihr mich, ich bezahle aber schon. Also wegtreten!

Sabine Schönfelder / 26.12.2020

Das ist ein wunderbarer Satz von Heisenberg. Er spiegelt die Hybris und die relative Überschaubarkeit des menschlichen Intellekts wider. So mancher glaubt, nachdem er mit viel Hilfestellung etwas kompliziertere Zusammenhänge erfaßte, er sei ein Wunderkind, sei auffassungsbegabter als seine Umgebung, bis er dann doch an seine Grenzen stößt….Auch ich hatte bislang eine völlig andere Interpretation des „umgangssprachlichen“ Begriffs des Quantensprungs mit meinen offensichtlich „schwer“ gängigen Synapsen in Anwendung. Dachte immer, daß das Aufnehmen eines Energiebetrags zu einem Quantensprung führe. Wenn einer mit seinem Kopfschmalz, seiner Hirnenergie, ein großartiges Antibiotikum erfand, war das der Energiebetrag zum Quantensprung Penicillin. Für mich. -  „WARUM“ ist die Urfrage allen Lebens. Sie hilft uns Überblick und Sinn zu schaffen durch Erkenntnisse, Vergleiche und Beobachtungen. Eigentlich, so glaube ich, kann eine warum- Frage nie verkehrt sein. Der Fragende selbst vermittelt uns mit seiner Frage seinen eigenen Geisteszustand. Finde ich interessant. Frohe Weihnachten, werter Autor, und ganz weihnachtlich wünsche ich mir für das kommende Jahr noch viele interessante informative Kommentare von Ihnen!

Peter Holschke / 26.12.2020

@Hans-Peter Dollhopf - Sind sie Kommunist? Sie argumentieren so. Gegen sie doch Mal auf den Inhalt ein, statt sich in Pauschalen zu verlieren, nach dem Motto, die Partei hat immer Recht und alles andere erübrigt sich.

Peter Holschke / 26.12.2020

@B. Dietrich - Ist das ihr zentrales Argument, ich erzähle dummes Zeug? Das kenne ich längst. So argumentieren alle dogmatischen Füsiker. Wer so redet, betreibt keine Physik, sondern frönt einem Glauben. Ich hatte es erwähnt. Nicht jeder versteht meine Argumentation, welche stringend, zwingend und logisch ist. Sie glauben ihre Modelle bestimmen die Realität. Nochmal. Vielleicht geschieht ja ein Wunder. Modelle leiten sich aus Abstraktionen ab. Umgedreht funktioniert das nicht. Das ist purer Wunderglauben. Und jetzt schauen sie Mal, was die moderne Füsik alles so für Phantasiegebilde ausgerechnet hat. Zur Wissenschaft gehört in erster Linie, die Prämissen in Frage zu stellen, sonst bestätigt sie in einem zirkulären Zirkus nur sich selbst. Und da sie nicht zur Sache gekommen sind, mache ich das nochmal. Existiert ein NICHTS. Denn das ist die Ursprungsvermutung seit Platon und man braucht sich nicht wundern, wenn man dann Quantenquark ausrechnet.

Karola Sunck / 26.12.2020

Ich habe immer gedacht, wenn mal jemand Merkel aus dem Amt befördern würde, wäre das ein Quantensprung für Deutschland. Jetzt bin ich schlauer. Das wäre ein kleiner Schritt für Merkel aber ein gigantischer Schritt für Deutschland!

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