Die Q. ist neben der Relativitätstheorie die bedeutendste Säule der modernen Physik. Während sich letztere mit der Gravitation und den ganz großen Skalen des Universums beschäftigt, geht es bei der Q. um das Gegenteil: um das Verhalten der allerkleinsten Teilchen. Und dabei stellte sich schnell heraus, dass die Welt des Allerkleinsten überhaupt nicht so ist, wie wir sie uns vorstellen. Wahrscheinlichkeiten sind an der Tagesordnung!

Die Anfänge der Q. machte der Physiker Max Planck. Beim Versuch, ein bestimmtes Verhalten bei einer bestimmten Strahlung eines Körpers zu erklären, griff er in der Not auf einen Trick zurück: Die abgestrahlte Energie sollte gewissermaßen portioniert abgegeben werden, d.h. es sollte eine gewisse kleinstmögliche Energiemenge geben. Diese Idee löste sein Strahlungsmuster-Problem, stieß aber trotzdem auf viel Widerstand, da die Vorstellung einer kleinsten Energiemenge absurd schien; Energie kann man immer noch weiter teilen. Davon abgesehen war bereits klar, dass das, was da strahlte, Licht war - und das bestand aus Wellen! Wie sollte es eine portionierte Welle geben...

Es ist das stetig wiederkehrende Muster der Q., dass ab diesem Zeitpunkt Theoretiker seltsame Vorhersagen machten - die sich dann alle im Experiment bestätigten. Hier einfach eine kleine Auswahl zum Weiterlesen, Kopfgrübeln und Verwirrtsein. (Das ist normal bei diesem Thema. Es wehrt sich aktiv gegen unsere Intuition...):

• Licht-Wellen sind gleichzeitig Teilchen. Aber: Materie-Teilchen sind ebenfalls auch gleichzeitig Wellen! Schönes Beispiel: Das Doppelspaltexperiment .
• Bei kleinsten Teilchen ist es nicht möglich, z.B. Ort und Geschwindigkeit des Teilchens genau zu messen. Man kann sogar genau ausrechnen, wie groß die "Unschärfe" ist! Und diese ist physikbedingt, liegt also nicht an unklugen Messgeräten. Die Heisenbergsche Unschärferelation ist hier die Formel der Wahl.
• Wenn es nicht immer möglich ist, solche Größen zu messen, dann kann es also passieren, dass man z.B. die Geschwindigkeit eines Teilchens misst (auch recht genau), aber daher fast nichts über seinen Aufenthaltsort in Erfahrung bringen kann. Wie gibt man denn dann überhaupt an, wo ein Teilchen ist? Mit einer Wahrscheinlichkeitswelle!
  Dies ist eine mathematische Welle, die sich im Grunde genommen über das ganze Universum erstreckt und für jeden Punkt angibt, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, das Teilchen dort anzutreffen. D.h. die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Teilchen, das man eben im Labor vermessen hat, sich jetzt am anderen Ende des Sonnensystems findet, ist gering, aber nicht Null!
• Damit zusammen hängt auch der "Tunneleffekt". Ein Teilchen kann durch eine Barriere tunneln, d.h. es war eben noch auf der einen Seite der Wand und dann plötzlich auf der anderen. Mit "Wand" ist hier aber vor allem so etwas gemeint wie: Es wird elektrisch von einem anderen Teilchen abgestoßen - und kommt dem Teilchen trotzdem plötzlich näher! Dies kann passieren, und vor allem passiert es bei der Kernfusion, bei der ja Protonen sehr nahe zusammenkommen müssen. Spukhaft ist ein Teilchen plötzlich auf der anderen Seite der Wand - statistisch selten, aber es gibt ja auch sehr viele Teilchen!
• Das sei übrigens an dieser Stelle auch vermerkt: So gut wie alles in der Quantenmechanik passiert nur nach Wahrscheinlichkeiten. Man kann bei einem einzelnen Teilchen nicht sicher sein, wie es sich verhalten wird - aber bei vielen Teilchen (und das ist die Norm in unserer Welt) kann man sehr genau ausrechnen, wie sie sich verhalten werden. Und erstens: Die Natur scheint uns recht zu geben. Und zweitens: Auf eine seltsame Weise verschwinden diese ganzen Quanteneffekte aus der Rechnung, wenn man genügend Teilchen zusammentut... Das passt zwar zu unserer Wahrnehmung (denn dadurch sehen wir nie, wie ein Mensch durch eine Wand tunnelt), andererseits ist die "Grenze" zwischen Quantenwelt und "Makrowelt" noch nicht vollständig verstanden. Ein schönes Gedankenexperiment hierzu ist im Übrigen Schrödingers Katze.
• Teilchen können in einen seltsamen, "verschränkt" genannten Zustand geraten, bei dem es eine merkwürdige Fernbeziehung zwischen zwei Teilchen gibt.
  Beispielsweise kann man ein Paar (also zwei) Photonen erzeugen, die in entgegengesetzter Richtung davonfliegen. Wenn diese beiden "verschränkt" sind, dann kann ich an einem der beiden eine bestimmte Messung vornehmen (so etwas wie die Polarisation bzgl. einer bestimmten Achse), und selbst wenn ich diese Achse erst im letzten Moment festlege, bevor das Photon in mein Messinstrument hineinfliegt: Das andere Photon "entscheidet" sich in diesem Moment, in einem anderen Messinstrument an einem völlig anderen Ort genau das gleiche Messergebnis zu zeigen! (Die Ergebnisse sind so etwas wie "Ich bin polarisiert" oder "eben nicht".)
  Es ist, als wären die beiden verbunden und könnten sich absprechen, auf welches Ergebnis sie sich einigen wollen; es ist, als würden sie gemeinsam dasitzen und ihr nächstes Ergebnis, da sie uns zeigen wollen, auswürfeln. Wann sie ja oder nein sagen, ist vollkommen zufällig - aber sie zeigen beide immer das gleiche. Und wie gesagt: Das trotz der Tatsache, dass die beiden nicht miteinander kommunizieren können!
• Diese seltsame Fernwirkung wird bei Quantencomputern ausgenutzt, bzw. soll dort ausgenutzt werden - es ist nämlich relativ schwierig, welche zu konstruieren. Aber wenn es jemandem gelingt, beginnt ein neues Zeitalter mit neuen Verschlüsselungsmethoden - die alten kann das Gerät nämlich im Schlaf brechen...
• Ein weiterer Effekt, der ebenfalls mit der Unschärferelation zusammenhängt, ist der Casimir-Effekt: Teilchen entstehen spontan aus dem Nichts und verschwinden wieder. Einfach, weil sie es können, tun sie es auch. Ständig. Überall.
• Und was gibt es denn nun für Teilchen? Neutronen. Protonen. Elektronen. Myonen. Kaonen. Pionen. Neutrinos. Hadronen. Bosonen. Photonen. Gluonen. 6 Quarks. Außerdem 6 Antiquarks. Antigluonen. Antiphotonen. Antibosonen... Und das sind bei weitem noch nicht alle!
  Frage: Woraus besteht denn die Welt?
  • Protonen. Die bestehen aus Up- und Down-Quarks.
  • Neutronen. Die bestehen aus Up- und Down-Quarks.
  • Elektronen. Die scheinen elementar zu sein.
  • Neutrinos. Die auch.
  • Photonen, also Lichtteilchen. Die auch.
  Was auffällt, ist, dass z.B. vier Quarksorten nicht gebraucht werden, ebenso viele viele andere Teilchen aus diesem "Teilchenzoo". Und tatsächlich gibt es darauf auch noch keine wirklich befriedigende Antwort - wozu die ganzen nicht benötigten Teilchen?

Genug des Sermons. Die Q. ist jedenfalls eine der erfolgreichsten Theorien der Physik. Merkwürdig ist allerdings eines. Die Q. für das ganz Kleine und die Relativitätstheorie für das ganz Große - die beiden sollten sich prächtig vertragen! Tun sie aber nicht. Und das ist ein Problem.

Eines, das zwar nur an wirklich wenigen Stellen wirklich auftaucht, nämlich nur dann, wenn Schwerkraft riesig wird, das Raumgebiet aber sehr klein. Und das kommt eigentlich fast nur in zwei Fällen vor: a) bei Schwarzen Löchern und b) am Anfang des Universums, also beim Urknall. Und hier versagen die Gleichungen der beiden Theorien, wenn man sie gemeinsam anwendet!

Dies ist natürlich ein recht frustrierender Zustand für Physiker: Zwei Theorien, die beide für sich wunderbar funktionieren, können nicht miteinander; es ist wohl ein Zeichen, dass noch ein Puzzleteil fehlt. Um das zu finden, werden momentan große Anstrengungen unternommen: Versucht wird es mit Stringtheorie, Quantenschleifengravitation und vielen anderen Ansätzen - der Durchbruch an dieser Stelle fehlt aber noch.

Also, lieber Lexikon-Leser: Lern Physik und find den Fehler im System! Der Nobelpreis ist dir sicher...