100 Jahre Quantensprung
In der Quantenmechanik blickt die Max-Planck-Gesellschaft auf eine lange Tradition zurück und begleitet die Hundertjahrfeier mit einem vielfältigen Programm
Am 4. Februar 2025 wird in Paris am Sitz der Unesco das International Year of Quantum Science and Technology eröffnet. Auch die Deutsche Physikalische Gesellschaft feiert das 100-jährige Jubiläum der Quantenmechanik. Die Forschung dazu ist eng mit Max Planck und Werner Heisenberg verknüpft. Ohne sie wären moderne Computer und Smartphones undenkbar. Verschiedene Max-Planck-Institute begleiten das Jahr daher mit einem umfangreichen Programm. In Vorträgen, Filmvorführungen und Workshops richten sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Groß und Klein, Laien und Fortgeschrittene – an alle, die schon immer einmal verstehen wollten, was unsere Welt im Kleinsten zusammenhält.
Die Quantenmechanik ist eine fundamentale Theorie der modernen Physik. Ihre Ausformulierung jährt sich nun das hundertste Mal, ihren Grundsatz postulierte Max Planck bereits im Jahr 1900: Die Energie von Licht, also elektromagnetischer Strahlung, ist quantisiert. Das Licht bei jeder Farbe oder Frequenz ist aus vielen identischen Energiepaketen zusammengesetzt. Die Quantenmechanik ist eine Theorie der kleinen Welt, der Atome und ihrer Komponenten, die von Experimenten mit am besten getestet und bestätigt worden ist. Sie beschreibt, wie Licht in Atomen entsteht und mit Atomen wechselwirkt. Ohne die Quantenmechanik gäbe es weder Smartphones oder Computer, noch die moderne Astrophysik noch Quantencomputer.
Die genaueste Theorie des Unscharfen
Dass die Energie von Licht in eine genaue Anzahl exakt berechenbarer Pakete zerlegt werden kann, macht den Anschein, als wüsste man alles sehr genau – dabei ist es gerade die Unschärfe, die die Quantentheorie beherrscht. Ein Blick in die klassische Welt des Greifbaren hilft, zu verstehen, warum.
Es ist ein Leichtes, zu messen, wo sich wann eine Erbse im dreidimensionalen Raum befindet, wenn sie vom Teller fällt, und wie schnell sie jeweils ist. So oder so ähnlich stellte sich Niels Bohr zunächst auch das Atom vor. Elektronen sollten den Atomkern auf festen Bahnen umkreisen und zu jeder Zeit lokalisierbar sein. Heute weiß man: Elektronen verhalten sich ganz anders. In der Quantenphysik sind sie beides: Teilchen und Welle. Schaut man ganz genau hin, scheint die Sicht auf die Quantenwelt vernebelt. Elektronen in Atomen finden sich nicht an Ort und Stelle, sondern in sogenannten Orbitalen, die sich aus den Wellengleichungen der Elektronen berechnen lassen. Solche Orbitale sind wie diffuse Wolken oder in der Fachsprache „Aufenthaltswahrscheinlichkeitsräume“.
Die Max-Planck-Gesellschaft und die Quanten
Max Planck selbst und auch später Werner Heisenberg stellten die ersten Formeln der Quantenmechanik auf. Während 1900 bereits Max Planck das Konzept des Quants weiterentwickelte, läutete Werner Heisenberg, ehemaliger Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik, 1925 in Göttingen die moderne Quantenphysik ein. Sein Ziel war es, Atome mit einer Theorie zu beschreiben, die nur auf beobachtbaren Größen basiert, etwa die Helligkeit und Frequenz des Lichts. Max Born, Pascual Jordan und Werner Heisenberg machten daraus eine mathematische Theorie, mit der man rechnen konnte. Alles Weitere ging schnell.
Astronomin findet Wasserstoff dank Quantenmechanik
Im gleichen Jahr 1925, nutzte die Astronomin Cecilia Helena Payne-Gaposchkin das neue theoretische Wissen, um ihrerseits Geschichte zu schreiben. Sie wusste nun, wonach sie mit ihren Instrumenten suchen musste. Elektronen um das Wasserstoffatom, so die Theorie, können zwischen diskreten Energiezuständen hin und herspringen und dabei Licht bei diskreten Energien aussenden. Dieses charakteristische Licht des Wasserstoffatoms beobachtete Payne-Gaposchkin mit einem Spektrographen in Sternen und legte den Grundstein für die moderne Astronomie: Laut ihren Berechnungen bestehen Sterne zu größten Teilen aus Wasserstoff. Erst viele Jahre später, im Jahr 1951, gelang es mit einem Radioteleskop nachzuweisen, dass Wasserstoff auch unsere gesamte Heimatgalaxie durchströmt. Ohne die Quantenmechanik und ehrgeizige Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sie entwickelten, wären wir wohl bis heute darüber im Dunklen geblieben, dass Wasserstoff das häufigste Element im gesamten Universum ist.
Was passiert im Inneren schwarzer Löcher?
Und auch heute steht die Erforschung der Quantenwelt nicht still. An einer Vielzahl von Max-Planck-Instituten gehen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dem Licht an sich auf den Grund wie der Kinofilm Tracing Light anschaulich zeigt, erforschen höchstenergetische Teilchenstrahlung aus dem All oder an Quantencomputern. Erst im Jahr 2023 erhielt Ferenc Krausz den Physik-Nobelpreis für seine Arbeit an Laserpulsen, die nur einige Attosekunden dauern und mit denen sich die Bewegungen einzelner Elektronen verfolgen lässt. Und es gibt ein Thema, an dem sich heute so manche Physikerin und so mancher Mathematiker die Zähne auszubeißen: Die Quantengravitation – ein Versuch die Theorie der großen Dinge, also der Schwerkraft nach Einstein, mit der Quantentheorie der kleinen Teilchen in den Einklang zu bringen. Damit soll mathematisch beschrieben werden, wenn sich viel Masse in einem winzigen Punkt tummelt – wie in schwarzen Löchern oder vor dem Urknall.
Ein vielfältiges Programm zur Hundertjahrfeier
Die spannende Reise der Forschung ist auch heute, 100 Jahre nach Göttingen nicht vorbei. Das ist Grund genug für zahlreiche Max-Planck-Institute, der Öffentlichkeit über das Jahr 2025 hinweg Wissenschaft nahe zu bringen. Eine umfassende Übersicht aller Aktionen und Veranstaltungen der Max-Planck-Gesellschaft folgt.
Tracing Light - Trailer
An dieser Stelle seien nur wenige Beispiele genannt, darunter ein Vortrag des Max-Planck-Instituts für Physik bei der populärwissenschaftlichen Reihe Café und Kosmos in München , einzigartige Einblicke in die Quantenforschung am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen zur Langen Nacht der Wissenschaft am 25. Oktober oder, ebenfalls im Oktober, eine Veranstaltung für Schülerinnen und Schüler rund um die (Astro-)Teilchenphysik am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.
