Die kommenden Quantensprünge

Es macht immer Probleme, über die Zukunft zu schreiben, wobei wir uns an dieser Stelle sogar auf den großen Niels Bohr berufen können, der einmal davon gesprochen hat, dass Prognosen besonders dann unzuverlässig werden, wenn sie sich auf die Zukunft beziehen. Von dem berühmten Komiker Karl Valentin ist ein ähnlicher Satz über Zukunftsprognosen überliefert. Das sollte uns doppelt vorsichtig sein lassen.

Quantencomputer

Trotzdem scheint klar zu sein, dass nicht nur das Leben, sondern auch die Wissenschaft weitergeht, und die Vermutung liegt nahe, dass dabei immer mehr Aufmerksamkeit auf die Quanteninformation und ihre Qubits gelegt wird. In diesen Tagen kann man viel von abhörsicheren Datenübertragungen lesen, die durch eine sogenannte Quantenkryptografie und mithilfe von Qubits möglich werden. In zahlreichen Aufsätzen werden die grandiosen Aussichten erörtert, die Quantencomputer mit sich bringen, wenn sie denn eines Tages gebaut werden können und uns zur Verfügung stehen. Ein Quantencomputer wäre eine Maschine, die man in die Lage versetzt hätte, die gesamte Komplexität einer quantenmechanischen Wellenfunktion (die Gleichung von Erwin Schrödinger) für viele Teilchen auszunutzen. David Bohm spricht in diesem Zusammenhang von einer Many Body Wave Function.

Um zu verstehen, was ein Quantencomputer gegenüber dem gewohnten (klassischen) Computer kann, lohnt ein Vergleich von zwei Lichtquellen: einer gewöhnlichen Glühbirne und einem Laser. Vor der Erfindung des Lasers im Jahre 1960 stand uns das aus vielen verschiedenen Wellenanteilen bestehende und deswegen »inkohärente« Licht etwa von Laternen und Taschenlampen zur Verfügung, die alle ohne Kenntnis der Quantenmechanik konstruiert werden konnten. Mit dem Aufkommen der Quantensprünge zeigte sich, dass man durch die Kontrolle von Quantenübergängen in Atomen deren Lichtemission so stimulieren kann, dass die entsprechenden Wellen in Phase schwingen und parallel laufen. Dieses »kohärente« Laserlicht bietet eine riesige Palette von Anwendungen, die von Augenoperationen bis zum Verschweißen von Autotüren reicht – ohne dass damit natürlich die Glühbirnen im Haushalt überflüssig würden. Niemand beleuchtet seine Küche mit Laserlicht, und so wird auch ein Quantencomputer nicht die schnellere und leistungsfähigere Version der heutigen Computer sein. Er wird eine ganz andere Maschine abgeben, die ganz andere Aufgabe übernehmen wird. Die Herstellung von solchen Quantencomputern wird dann vielleicht auch endlich die Ankündigungen von Managern und Politikern rechtfertigen, dass unsere Zukunft von technologischen Quantensprüngen ebenso abhängt wie von den tatsächlich von Atomen durchgeführten Quantenübergängen.

Natürlich wissen wir heute noch nicht, was funktionierende Quantencomputer eines Tages tatsächlich können. Aber mit dem Stand des aktuellen Wissens lässt sich erahnen, dass dann, wenn die Zähmung der Quantenwelt gelingt, selbst ein nicht besonders üppig ausgestatteter Quantencomputer fähig sein sollte, einige der Rechenprobleme zu lösen, an denen klassische Supercomputer deshalb scheitern, weil sie zu ihrer Lösung mehr Zeit brauchen, als die Geschichte des Universums zur Verfügung stellt.

Quanten im Kopf

Wenn wir von den technischen zu den wissenschaftlichen Möglichkeiten wechseln, möchte ich mir zuletzt gestatten, eine spekulative Hoffnung zu äußern. Mir gefällt das zentrale Element der Quantenwelt, das Verschränkung heißt. Mit gefällt auch, dass die damit bezeichnete Ganzheit durch ihr Gegenstück, die Quantenlücke, erst möglich wird. Analoge Sprünge kennen wir aus dem Bereich des Denkens und Erkennens, wenn uns etwas »plötzlich klar« wird, was bedeutet, dass im Ganzen unseres Geistes ein in diesem Augenblick relevanter Teil ins Bewusstsein springt. Mit anderen Worten, mir scheint, dass uns Gedanken (neuronale Hirnaktivitäten) durch Verschränkung bewusst werden und dass dies die eigentliche Qualität oder Leistung der quantenmechanischen Ganzheit darstellt.

Natürlich benötigt eine solche Vermutung experimentelle Absicherungen, und es ist nicht zu erwarten, dass wir schon bald von ihnen hören. Es gibt aber erste Hinweise, dass das, was bislang auf die physikalische Wirklichkeit beschränkt und in ihr eingesperrt zu sein schien, über diesen Bereich hinaus wichtig und von der Natur lebensrelevant eingesetzt wird. Nur so kann man zum Beispiel verstehen, wie Algen das Sonnenlicht einfangen und damit die für uns alle überlebensnotwendige Photosynthese betreiben. Sie funktioniert nämlich dadurch, dass die eingesetzten molekularen Antennen (die Fotopigmente) quantenmechanisch kooperieren, also verschränkt vorgehen.^[7] Durch den allein im Rahmen der Quantenmechanik verständlichen Vorgang der Kohärenz, den wir oben beim Laserlicht erläutert haben, werden die in der Alge eher weit entfernten fotoempfindlichen Moleküle so verschränkt, dass sie mit ausreichender Effizienz das Licht einsammeln können, von dem wir schließlich alle leben.

Diese Entdeckung eines ersten bei gewöhnlichen Temperaturen funktionierenden Quanteneffekts mit Folgen für das Leben wird nicht für sich bleiben. Wenn wir die Quanten im Kopf haben, sind wir auch in der Lage herauszufinden, was sie dort vermögen. So können sie uns zum Beispiel bewusst machen, dass0 es sie und uns gibt. Ein schöner Quantensprung, weil er zu uns selbst führt.

Literatur

Eigene Titel

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Sowohl als auch, Hamburg 1987

Aristoteles, Einstein & Co., München 1995

Die aufschimmernde Nachtseite der Wissenschaft, Lengwil 1995

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An den Grenzen des Denkens, Freiburg 2000

Leonardo, Heisenberg und Co., München 2000

Die andere Bildung, München 2001

Werner Heisenberg. Das selbstvergessene Genie, München 2001

Einstein, Hawking, Singh und Co., München 2004

Brücken zum Kosmos. Wolfgang Pauli zwischen Kernphysik und Weltharmonie, Lengwil 2004

Einstein für die Westentasche, München 2005

Einstein trifft Picasso und geht mit ihm ins Kino, München 2005

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Titel anderer Autoren

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Dank

An dieser Stelle möchte ich Sabine Jaenicke für das Vertrauen danken, das sie in die Entstehung dieses Buches und in den Autor gesteckt hat (und hoffentlich weiter tut), sowie Iris Forster für den wunderbaren Feinschliff des Textes im Lektorat. Mein Dank gilt ferner und grundsätzlich meiner Verlegerin Brigitte Fleissner-Mikorey für die angenehme Zusammenarbeit, die nun schon über Jahre währt.

Register

Aharonov-Bohm-Effekt 273f.

Alphastrahlen 46ff., 211

Alpher, Ralph 211, 218f.

Anode 88, 239 Antimaterie 206 Aristoteles 187

Aspect, Alain 302, 304

Atombombe 58, 61, 67, 70, 84f., 91, 99, 110, 129, 164ff., 182ff., 189, 192f., 212, 248, 265ff., 285f.

Atomkern 26, 36, 44f., 48ff., 61ff., 66, 90, 107, 112, 120, 167, 185, 189ff., 214ff., 227, 247, 262, 310

Atommodell (Bohr) 27, 35, 89, 100, 113, 236

Ausschließungs-Prinzip siehe Pauli-Prinzip

Baeyer, Hans Christian von 332

Bardeen, John 233ff.

Becquerel, Henri 45

Bell, John 83, 126, 276, 294ff.

Bell’sche Ungleichung 300f., 304, 323f.

Betastrahlen 46f., 60ff.

Betazerfall 62, 161ff., 189f.,194, 214, 289, 312

Bethe, Hans 211, 218, 286

Bethe-Weizsäcker-Zyklus 261f.

Bit 255, 257, 323, 329ff.

Bloch, Felix 126, 238

Bloch’sches Theorem 238, 246

Bohm, David 271ff., 294ff.,335

Bohm-Diffusion 273

Bohr, Niels 9, 26f., 35f., 51,61f., 66, 79ff., 82, 89, 100,106ff., 158, 162, 176ff.,189, 207, 210, 214, 224,247f., 254, 263, 265, 304f.,328f., 332, 335

Boltzmann, Ludwig 56

Born, Max 90, 94ff., 174,176, 188, 201, 210, 297

Bose-Einstein-Kondensation83f. Bose-Einstein-Statistik 196

Bosonen 191, 195, 318 Brattain, Walter 239, 241f.

Broglie, Louis de 135f., 146ff.,214

Chadwick, James 52, 63

Cockroft, John 52

Condon, Edward 86, 90

Cooper, Leon 245

Cooper-Paare 245

Davisson, Clinton 149f.

Delbrück, Max 118

Dichtematrix 223

Dirac, Paul 195, 199ff., 214,250, 287ff.

Dirac-Gleichung 205ff., 250

»Drei-Männer-Arbeit« 96, 176, 201

Dualität 72, 74, 116, 146, 150, 152

Einstein, Albert 17, 19f., 31ff., 40, 42, 68ff., 87, 95, 97, 99f., 104, 111, 122ff., 135, 146, 148, 152, 156f., 169, 181, 196, 203, 205, 209, 219, 223, 235, 247f., 251ff., 272, 275, 288, 295, 300ff., 325f., 330

Elementarteilchen 151, 162, 190, 205, 214, 231, 250, 294, 296, 299, 311, 314ff.

Elektron 11f., 14, 26, 34ff., 46, 48, 50f., 61ff., 75ff., 79, 87ff., 100, 107, 111ff., 116, 120, 122, 125, 134f., 147, 149f., 158f., 161, 169, 172ff., 189, 195f., 205ff., 124ff., 231, 235f., 238, 240ff., 245f., 248, 250f., 272ff., 245f., 248, 250f., 272ff., 282f., 287ff., 298ff., 305, 314, 316, 317f., 327f.

Emission 75f., 336

Entropie 253

EPR-Experiment 82, 122

EPR-Paradoxon 301ff.

ESP-Korrelationen 307

Everett, Hugh 250

Farbladung 312, 320

Fermi, Enrico 55, 162, 188ff.,214

Fermi-Dirac-Statistik 195

Fermi-Fragen 196ff.

Fermionen 195f., 318

Feynman, Richard 207, 213,249f., 281ff., 309, 312

Feynman-Diagramme 250,282, 284, 288f.

Fierz, Markus 164

Franck, James 86ff., 97, 194

Franck-Condon-Prinzip 86,90

Franck-Hertz-Versuch 86f.

Franck-Report 86, 91, 194

Frisch, Otto Robert 65, 267

Gamow, George 120f., 209ff.,250

Geiger, Hans 48

Gell-Mann, Murray 308ff.

Gene 142f., 212f., 219

genetischer Code 142, 212f.

Germer, Lester 149f.

GHZ-Experiment 324f.

Goethe, Johann Wolfgang von 18, 168, 174, 279, 311

»Gott würfelt nicht« 79f.,100, 203, 330

Göttinger Sieben 186

Greenberger, Daniel 324

Hahn, Otto 45, 53ff., 58ff., 64ff., 193f., 265, 267

Halbleiter 109, 237, 239ff., 242ff.

Halbwertszeit 47

Heisenberg, Werner 25, 27, 31f., 38, 41f., 90, 95ff., 108, 116, 126, 128f., 134, 137, 141, 157f., 171ff., 200ff., 208, 214, 222, 224, 259ff., 265, 274, 283, 300

Heisenberg-Schnitt 173

Helium 47f., 121, 216f.,225ff., 231, 262

Heliumkerne 46, 48

Hertz, Gustav Ludwig 87ff.

Hevesy, George de 92

Hilbert, David 96

Hintergrundsphysik (Pauli)167ff.

Hologramm 278f.

Horn, Michael 324

implizite Ordnung 271, 276ff., 280

Institut für Theoretische Physik (Kopenhagen) 108, 115

Institute for Advanced Studies (Princeton) 70, 99, 235, 247

Institute of Technology (Caltech) 281, 284, 291, 309, 312Isotop 128, 182, 247f., 261

Jordan, Pascual 96, 176, 201

Jung, Carl Gustav 160f., 163f., 166ff.

Kapitza, Pjotr 225, 230

Kathode 88, 239

Kernenergie 65, 84, 109, 128,192, 212, 267

Kernphysik 45, 189ff., 218, 247, 266, 294

Kernspaltung 45, 55, 65ff., 84, 127, 182, 194, 247, 262, 265, 267

Kettenreaktion 84, 183, 192f.,247

Kilby, Jack 244

Kirchhoff, Robert 21

Komplementarität 80, 108,116ff., 122, 125, 131, 250

Kopenhagener Deutung/Interpretation 108f., 137, 178ff., 250, 272, 322, 333

Kybernetik 264

Landau, Lew 120, 202, 221ff., 245

Laser 76f., 82, 104, 109, 278,302, 336, 338

Leibniz, Wilhelm 13, 55

Leitungsband 236, 240f.

Lichtquanten 82f., 152

Lichtquantenhypothese 78,113

Lifschitz, Jewgeni 229 London, Fritz 238, 244

London, Heinz 238, 244

Mach, Ernst 156

Manhattan-Projekt 194, 218,248, 251, 271, 285f.

Marsden, Ernest 48

Materiewelle 146f., 149ff.

Matrizen 175f.

Matrizenmechanik 134, 200

Maxwell, James Clerk 287,329

Meitner, Lise 19, 45f., 53ff., 127, 247, 262, 267

Molekularbiologie 109, 212

Nanotechnologie 290

Nationalso zialismus/Nazi-Deutschland 28, 42, 53, 67, 70, 92, 99, 126, 128, 141, 181, 184, 188

Neumann, John von 295, 297

Neutrino 62, 162, 289, 314, 317f.

Neutron 52, 63ff., 161, 185, 193ff., 214, 218, 247f., 252, 262, 265, 289, 314, 318, 328

Nukleosynthese 217

Oppenheimer, Robert 90, 98f., 101, 104, 194, 251f., 271, 285Paradoxon (Einstein) 122ff.

Pauli, Wolfgang 31, 36, 39, 41, 46, 62, 97, 116, 154ff., 195, 204, 214, 261, 298f.

Pauli-Prinzip 158f., 195Photon 76, 113, 146, 150, 152, 158, 191, 274f., 289, 302ff.

Planck, Max 9ff., 13, 15ff., 32ff., 38, 40, 53f., 56f., 59f., 68f., 75ff., 87, 107, 111, 135, 141, 147f., 151, 155, 172, 174, 203, 214, 264, 269, 300, 321

Planck’sche Konstante 24

Planck’sches Quantum der Wirkung 15, 23ff., 40, 106f., 155, 174, 300, 321

Plasma 219, 272f. Platon 165, 315

Podolsky, Boris 81, 122, 124,301f.

Pohl, Robert 97 Proton 52, 61, 63, 66, 161, 185, 196, 214, 217f., 248, 289, 310, 314, 316ff.

Pythagoras 37, 41

Quanten 10, 35, 41, 73, 77ff., 87, 95, 107, 112f., 134f., 137, 139, 146, 148f., 152, 155, 205, 212, 227, 236, 247, 257, 274, 283, 298, 306, 328ff., 337f.

Quantenchromodynamik(QCD) 312, 320

Quantencomputer 335f.

Quantenelektrodynamik (QED)282, 286f., 312

Quantenfarbdynamik 320

Quantenflüssigkeit 227, 229f.

Quanteninformation 331ff.,335

Quantenkommunikation 328

Quantenkryptografi e 335

Quantenmechanik 24, 78ff.,81ff., 95f., 100, 103, 107ff., 120, 122f., 125, 129, 136, 150, 158f., 169, 171, 173, 175f., 208f., 226, 250, 262, 272ff., 282f., 286ff., 295, 301f., 304, 306, 322, 330, 336, 338

Quantenmetaphysik 326

Quantenpotenziale 275

Quantenzahl 36f., 39, 41, 113,159, 206, 299

Quark 308ff.

Qubit 332ff.

Raumzeit 68f., 223, 252, 279

RBQs (Really Big Questions) 254ff.

Relativitätstheorie 32, 34, 40, 69f., 72ff., 80, 95, 104, 156f., 205, 219, 222, 252, 304

Roosevelt, Franklin 70, 84f., 110, 248

Rosen, Nathan 81, 122, 124, 301f.

Rosinenkuchenmodell (J.J. Thomson) 46, 48, 50

Rutherford, Ernest 44ff., 61, 107, 111f., 114, 119, 189, 211

Schalenmodell 36

Schrieffer, Robert 244ff.

Schrödinger, Erwin 25, 83, 133ff., 158, 200, 212, 215, 222, 245, 295, 305, 324,335

Schrödinger-Gleichung 133,136, 138, 215, 245

Schrödingers Katze 133, 137ff.

Schwarzes Loch 251, 253f.

Shannon, Claude 323

Shockley, William 241f.

Silizium 240ff.

Singularität 252f., 288f.

Szilard, Leo 84, 192f.

Soddy, Frederik 47

Solvay-Konferenz 148, 203

Sommerfeld, Arnold 31ff., 94, 157, 176f.

Sommerfeld’sche Feinstrukturkonstante 41

Spektrallinien 38ff., 112 Spin 159, 185, 206, 249, 275,299, 317f., 326

Spitzenentladungen 86f.

Stark, Johannes 38

Streuversuche 48, 51, 61

Straßmann, Fritz 45, 64ff.,194

Suprafluidität 225ff. Supraleitung 225, 234, 238, 243ff.

Symmetrie 155, 162f., 165, 229, 231, 315

Symmetriebrechung 231, 245

Teleportation 326f.

Teller, Edward 101, 104

Thomson, Joseph John 46, 48,50

Transformationstheorie 200

Transistor 233, 237, 241ff.

Tübinger Memorandum 269

Tunneleffekt 212, 214ff.

Unbestimmtheitsrelation 108, 172f., 180

Urknall 212, 216f., 219f., 250f.

Valenzband 236f., 240

Verschränkung/Verschränktheit 83, 139, 276, 305f., 324ff., 337

Vielkörpertheorie 273

Vielweltensicht 250

Walton, Ernest 52

Warburg, Emil 87

Wechselwirkung 40, 83, 124f.,139, 149, 151, 162f., 170, 188f., 190f., 195f., 245, 250, 273, 277, 282, 297ff., 305, 311f., 318

Weizsäcker, Carl Friedrich von 126, 128, 174, 183, 259ff.

Wheeler, John 247ff., 331f.

Wigner, Eugene 207, 235

Wittgenstein, Ludwig 333

»Wunderjahr von 1905« 68,71ff., 77

Ylem 216ff.

Zeeman, Pieter 38

Zeilinger, Anton 322ff. Zentrum für Kernphysik(CERN) 294, 296f.

Zweig, George 310, 316

Foto: Anne Wiegandt

Prof. Dr. Ernst Peter Fischer, 1947 in Wuppertal geboren, lehrt Wissenschaftsgeschichte an der Universität Konstanz und ist Wissenschaftspublizist u.a. für GEO, Bild der Wissenschaft und die Frankfurter Allgemeine Zeitung. Von ihm erschienen zahlreiche erfolgreiche Sachbücher wie Die kosmische Hintertreppe, Der kleine Darwin, Das große Buch der Evolution und Laser.

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 Zeilinger.

Eine großartige Wissenschaftsgeschichte über die kleinsten Teilchen der Natur.

ISBN 9783776626438