100 Jahre Quantenforschung

Quantenphysik ist in unserem Alltag praktisch kaum erlebbar. Alles für uns direkt Erfahrbare – alle makroskopischen, größeren Dinge – gehorcht den Prinzipien der klassischen Physik. Doch im Kleinen, auf atomarer Ebene, werden diese auf den Kopf gestellt: Denn dort zeigen sich die Gesetze der Quantenphysik. Und die erscheinen nicht nur auf den ersten Blick merkwürdig: Elementarteilchen, Atome und Moleküle können sich wie Teilchen oder Wellen verhalten. Sie können sich überlagern und damit mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen. Und sie lassen sich miteinander verschränken, so dass ein Teilchen immer die komplementäre Information zu seinem Zwilling besitzt – egal wo dieser sich befindet. Vor allem die Unsicherheit des Zustands eines Teilchens ist in der Quantenmechanik fundamental. Es befindet sich in einer sogenannten Superposition von verschiedenen möglichen Zuständen. Kurz: Nichts steht fest, aber alles ist möglich. Es geht also um Wahrscheinlichkeiten, genauer um Wahrscheinlichkeitswellen. Erst wenn man ein Teilchen beobachtet oder misst, weiß man, an welcher Position, in welchem Zustand es sich genau befindet – und zerstört damit gleichzeitig den Quantenzustand.

Elementarteilchen wie Photonen oder Elektronen, sogar Atome oder Moleküle verhalten sich manchmal wie Wellen und manchmal wie Teilchen. Während ein klassisches Teilchen nur an einem Ort sein kann, breitet sich eine klassische Welle im Raum aus und kann sich mit anderen Wellen überlagern.

Teilchen können sich aufgrund ihrer Welleneigenschaften durch Energiebarrieren bewegen als würden sie durch Wände gehen. Da Menschen aus Atomen bestehen, gibt es eine theoretische Wahrscheinlichkeit ungleich Null, dass jedes einzelne Teilchen im menschlichen Körper die Potentialbarrieren einer Wand überwindet. Der Versuch, das zu beweisen, könnte jedoch schmerzhaft werden.

Das vielleicht berühmteste Gedankenexperiment, um Quantenphysik zu erklären. In einer Kiste sitzt eine Katze zusammen mit einer Giftgasampulle. Durch einen Mechanismus, der durch ein radioaktives Teilchen ausgelöst wird, besteht zu jedem Zeitpunkt die Wahrscheinlichkeit, dass das tödliche Gift freigesetzt wurde. Der radioaktive Zerfall bietet dabei einen idealen Zufallsgenerator für diesen Zeitpunkt. Ohne Wechselwirkung mit der Außenwelt befindet sich Schrödingers Quantenkatze also in einer Superposition, verschränkt mit dem Zustand des radioaktiven Teilchens. Sie ist quasi sowohl lebendig als auch tot. Erst wenn jemand in der Kiste nachschaut, wird das Tier auf einen von beiden Zuständen festgelegt. 

Diesen Effekt nannte Einstein noch »spukhafte Fernwirkung«. Sind zwei Teilchen miteinander verschränkt, ergänzen sie sich immer in ihren Eigenschaften. Sie sind untrennbar verbunden, auch wenn sie Lichtjahre voneinander getrennt sind. Misst man zum Beispiel bei einem Zwillingsphoton eine vertikale Polarisation, dann ist das andere Photon sofort horizontal polarisiert. Und das, obwohl sein Zustand unmittelbar vorher noch nicht festgelegt war und kein Signal zwischen den beiden Teilchen ausgetauscht wurde.