Tim James - Fundamental

Ich erinnere mich, wie ich vor vielen Jahren in den trüben Tagen meiner Jugend an einem Vorstellungsgespräch an der Uni teilgenommen habe und vor vier bedeutende Wissenschaftler gesetzt wurde, die mich fragten, was ich über Quantentheorie wisse. Dummerweise hatte ich das in meinem Bewerbungsschreiben erwähnt. Deshalb wollten sie mir auf den Zahn fühlen und mich ein oder zwei Energiestufen herabdrücken.

Ich spulte einen Haufen Fakten über Wellen und Teilchen herunter und versuchte, den Anschein zu erwecken, dass ich meine Materie beherrschte, bis eine von ihnen die Hand hob, um meinem Geschwafel Einhalt zu gebieten, und sehr liebenswürdig fragte: »Ist ein Elektron nun ein Teilchen oder eine Welle?«, bevor sie sich wieder zurücklehnte und zusah, wie ich ins Schwimmen geriet. Ich bin über diese Erfahrung zwar keineswegs verbittert, aber ehrlich gesagt, hatte sie mir eine unbeantwortbare Frage gestellt.

Das Rätsel, dass sich Elektronen und Photonen anders verhalten, wird als »Welle-Teilchen-Dualismus« bezeichnet – ein Begriff, der von dem französischen Adligen Louis-Victor Pierre Raymond, 7. Herzog von Broglie (kurz: Louis de Broglie) geprägt wurde. Louis diente während des Ersten Weltkriegs im Militär und bestand darauf, hinterher eine Ausbildung sowohl in Geschichte als auch in Physik zu erhalten, was er für entscheidend für das Verständnis der Vergangenheit und Zukunft der Menschheit hielt.

Als er bereits in seinen Zwanzigerjahren stand, war die Quantentheorie das große Thema in der Naturwissenschaft. Also beschloss er, seine Doktorarbeit über dieses zentrale Rätsel zu schreiben. War es möglich, dass Dinge im Universum weder Teilchen noch Welle waren und diese Erscheinungsformen nur annahmen, je nachdem, welches Experiment wir durchführten? Sprangen Elektronen und Photonen irgendwie zwischen diesen beiden Zuständen hin und her? Waren unsere schwachen Schimpansengehirne überhaupt in der Lage, mit dem zurechtzukommen, was die Natur auf der Quantenebene wirklich tut?

Wenn wir uns Wellen vorstellen, können wir anhand ihrer Frequenz (wie viele Wellen pro Sekunde auf Sie treffen) und ihrer Wellenlänge (wie weit entfernt jeder Wellengipfel vom anderen ist) berechnen, wie viel Energie sie mit sich führen.

Da wir ebenfalls die Energie eines sich bewegenden Teilchens anhand seiner Masse und Geschwindigkeit berechnen können, stellte de Broglie folgende Frage: Warum sollte man diese beiden Energien nicht gleichsetzen? Wenn wir die Eigenschaften von etwas im Sinne eines Teilchens kennen, können wir seine Energie berechnen und unser Gehirn dann umschalten, um es uns als Welle vorzustellen, deren Energie wir gerade berechnet haben. Energie dient als Übersetzungseinheit zwischen der Wellen- und Teilchenphysik.

Ursprünglich stieß dieser Vorschlag auf Skepsis. Sollten wir ernsthaft sagen, dass jedes Teilchen eine Wellenlänge und jede Welle eine Masse besitzt? Zum Glück für de Broglie gefiel diese Idee Albert Einstein sehr, und er begann sie in seinen Vorlesungen zu befürworten (was nie schadet).

Der Ansatz de Broglies besagt, dass man jedes beliebige Teilchen nehmen und seine mit ihm »verknüpfte Wellenlänge« berechnen kann. Sobald man das getan hat, kann man einen Doppelspalt geeigneter Größe konstruieren und das Teilchen darauf schießen, was auf der anderen Seite ein Interferenzmuster erzeugt. Auch wenn wir vielleicht nicht in der Lage sind, uns visuell vorzustellen, wie etwas gleichzeitig ein Teilchen und eine Welle sein kann, können wir doch gewiss Berechnungen mit ihnen vornehmen und zuverlässige Daten erhalten.

Und das funktioniert auch. Im Jahr 1944 benutzte Ernest Wollan de Broglies Theorie, um Neutronen, die Tausende Male schwerer als Elektronen sind, durch ein Kochsalzkristall abzulenken. 18Protonen können ebenfalls auf dieselbe Weise abgelenkt werden, obwohl es überraschenderweise keine Aufzeichnungen darüber gibt, wer dieses Experiment als Erster durchführte. Im Rückblick hätte ich wahrscheinlich in jenem Bewerbungsschreiben für die Uni nicht behaupten sollen, dass ich es war.

Wenn man erfährt, dass Protonen, Neutronen und Elektronen sich alle wie Wellen verhalten, dann ist das sowohl tiefgründig als auch sonderbar. Jedes Ding in der Welt besteht aus diesen Teilchen, daher ist alles, was wir uns als Materie vorstellen, einschließlich unseres eigenen Körpers, ebenfalls wellenartig. Ihr Körper hat eine Wellenlänge, und wenn wir Sie irgendwie auf einen geeigneten Doppelspalt feuern würden, könnten Sie gebeugt werden.

Wenn Sie neugierig sind: Ein durchschnittlicher Mensch, der aus einer Kanone mit 30 Metern pro Sekunde herausgeschossen würde, hätte eine De-Broglie-Wellenlänge von ungefähr 0,0000000000000000000000000003 Metern. Wenn wir irgendwie eine Möglichkeit finden könnten, jedes Atom im menschlichen Körper mit einem Doppelspalt von derselben Größe auszurichten, könnten wir wirklich eine Beugung hervorrufen. Ich schätze, dass Sie Ihre Versuchsperson aus dem früheren Experiment verwenden können, bei dem Sie ihre Hand mit einer Kanonenkugel weggeschossen haben.

Der derzeitige Weltrekord für die Beugung von Objekten, die größer als ein einzelnes Teilchen sind, wird von Sandra Eibenberger gehalten, der es 2013 gelang, bei einem ganzen Molekül von C 284H 190F 320S 12N 4Welleninterferenz nachzuweisen. Das sind 810 Atome, die gleichzeitig durch beide Spalte gehen und sich auf der anderen Seite überlagern. 19Zwar keine ganze Person, aber irgendwo müssen wir anfangen.

Bevor er ein gesetzesbrecherischer Chemielehrer aus New Mexico war, der von Bryan Cranston gespielt wurde, war Werner Heisenberg einer der besten Mathematiker der Welt. Im Unterschied zu Planck, Einstein und de Broglie, die sich auf Ergebnisse aus Experimenten konzentrierten, interessierte sich Heisenberg mehr dafür, gut begründete Theorien zu nehmen und sie bis zum Zerreißen zu verdrehen, ohne sich darum zu kümmern, was das für die Mitarbeiter im Labor bedeutete.

Bekanntlich hatte er wenig Ahnung von wirklicher Physik, und während seines Rigorosums wurde er gefragt, wie eine einfache Batterie funktioniert, und er wusste es nicht 20(was ich beruhigend finde, da selbst Heisenberg offensichtlich demütigenden Fragestellern gegenüberstand).

Trotz dieses praktischen Unvermögens fand seine mathematische Brillanz nicht ihresgleichen, und 1920 wurde er angestellt, um für Arnold Sommerfeld zu arbeiten, einen der Physiker, die Bohr beim Entwurf seiner Atomtheorie geholfen hatten.

Sommerfeld gab ihm ein mathematisches Rätsel, an dem er arbeiten sollte und bei dem es darum ging, wie Licht sich selbst aufspaltet, was Heisenberg zwar in weniger als zwei Wochen knackte, aber seine Lösung war so kompliziert, dass Sommerfeld sie ablehnte in der Annahme, dass Heisenberg nicht so schnell auf die Antwort gestoßen sein könnte. Bis ein paar Monate später der weitaus etabliertere Physiker Alfred Landé genau dieselbe Idee veröffentlichte und dadurch viel Aufmerksamkeit erhielt. 21

Schon bald nach dieser Erfahrung begab sich Heisenberg an das Kopenhagener Institut in Dänemark, das rasch zur wichtigsten Zitadelle der Welt für Quantenforschung wurde, um mit Niels Bohr zusammenzuarbeiten. Vielleicht war er geknickt wegen der Art und Weise, wie Sommerfeld sein Genie nicht akzeptieren konnte, oder vielleicht wollte er einfach für einen Nobelpreisträger arbeiten (Sommerfeld wurde 84-mal nominiert, hat aber nie einen Nobelpreis erhalten). Wie dem auch sei, Heisenberg zog um und wurde zu Bohrs bestem Schüler und einer seiner besten Freunde.

Das waren Heisenbergs goldene Jahre, während er sich von den scharfsinnigsten Geistern in Europa umringt fand und einen Großteil der Methoden und Gleichungen entwarf, die wir heute immer noch in der Quantenmechanik verwenden. Heisenberg und Bohr gingen regelmäßig zusammen in den Bergen wandern oder abends in die Stadt auf der Suche nach Frauen und verbrachten jeden zweiten wachen Augenblick mit der Besprechung des sonderbaren Verhaltens von Teilchen. Es war eine Zeit, in der Heisenberg wahrlich respektiert und glücklich war.