Was wurde aus Max Plancks Quantentheorie?

Planck öffnete mit seiner Entdeckung der Quanten ein wahres Füllhorn modernster Erfindungen.

Was Hat Planck entdeckt? Max Plank, der Gründervater der Quantentheorie, hat im Jahr 1900, ohne dass er es beabsichtigte, entdeckt, dass das Licht nicht nur eine kontinuierliche Welle ist, sondern aus winzigen Partikeln besteht, die, von einer Quelle ausgesandt, z.B. auf eine Metallfläche prasseln. Man nannte die Lichtteilchen später Photonen oder auch Quanten. Dass es Teilchen sein müssen, ergab die Analyse des fotoelektrischen Effekts, mit der Einstein die Wissenschaftler aufhorchen ließ. Der Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts war geboren. Nun ja, könnte man meinen, eine neue Einzelerkenntnis, die Physik war ja immer gut für Überraschungen. Aber es blieb nicht bei einem einzelnen Aha-Erlebnis. Planck hatte in ein Wespennest gestochen. Man entdeckte, oft erst Jahrzehnte später, dass das Reich der Quanten ein Universum für sich ist.

Licht hat also nicht nur Welleneigenschaften, sondern besteht auch aus Teilchen. Aber, und das war schon die nächste Überraschung, jede Materie, d.h. Elektronen, Protonen, Atome, Moleküle besitzen nicht nur Teilcheneigenschaften, sondern können auch als Materiewelle beschrieben werden, das ist eine der wichtigsten Errungenschaften der nichtklassischen Physik. Die Bezeichnung „Quanten" wird für Elementarteilchen benutzt, wenn ihr Teilchen- und nicht ihr Wellenverhalten im Vordergrund steht. Kleinste Energieeinheiten, die sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter haben, sind auch „Quanten“. Alle Quanten haben diesen Doppelcharakter.

In der Quantenphysik geht es um Elementarteilchen (Moleküle, Atome, Elektronen, Nukleonen, Quarks, Photonen) der Größe ein Milliardstel Meter = 1 Nanometer (nm) und darunter. Daher merken wir in unserer normalen „Makro“-Welt nicht viel von Quanten. Aber sie sind allgegenwärtig. Besucher der Website können diesen Text nur lesen, weil Abermilliarden von Lichtquanten (Photonen) in diesem Moment in ihr Auge gelangen.

Die verrückte Welt der Quanten. Wenn man aber unsere Makrowelt verlässt und, etwa wie ein Tauchboot in die tiefsten Tiefen der Meere, in die Mikrowelt eintaucht, erlebt man ungeahnte Überraschungen, die so bizarr sind, dass man an seinem gesunden Menschenverstand zweifelt. Albert Einstein schrieb im Jahr 1951: Die ganzen 50 Jahre bewusster Grübelei haben mich der Antwort auf die Frage ‚Was sind Lichtquanten‘ nicht näher gebracht. Heute glaubt zwar jeder Lump, er wisse es, aber er täuscht sich. Nobelpreisträger Richard Feynman: Ich kann mit Sicherheit sagen, niemand hat die Quantenmechanik verstanden. Werner Heisenberg: Wer verstehen will, was die Welt im Innersten zusammen hält, muss etwas über ihre kleinsten Teilchen wissen. Bei dieser Reise in das tiefste Innere der Materie stoßen die Forscher auf Geheimnisvolles, Unbegreifliches, Schockierendes, Unlogisches… Diese Expedition ist spannender als der Vorstoß in die Tiefe der Ozeane. Einstein sagte über das Entdeckte: Die Welt kann nicht so verrückt sein. Doch heute wissen wir: sie ist so verrückt! Aber die Welt der kleinsten Teilchen ist faszinierend und voller Überraschungen und eine Herausforderung für unsere Erkenntnisfähigkeit. Obwohl heute alle Aspekte der Quantenmechanik mathematisch exakt beschrieben sind, übersteigt sie unser Vorstellungsvermögen, weil unser Gehirn Jahrmillionen lang nur damit beschäftigt war, unser Überleben auf der Erde zu sichern.

Die Grundlagenforschung galt zunächst den Eigenschaften der Quantenobjekte und ergab so Widersprüchliches, dass die Wissenschaftler lange glaubten, auf Messfehler hereingefallen zu sein. Hier eine Zusammenfassung der Unbegreiflichkeiten.

Das Wesen der Quantenobjekte. Nach den masselosen Photonen wandte man sich den massebehafteten Elektronen zu, schickte sie durch einen Spalt und durch zwei Spalte, und fand heraus: Auch sie sind Quantenobjekte mit einem eindeutigen Teilchen-Welle-Dualismus. Und sie bergen noch mehr Geheimnisse: Man kann nicht feststellen, durch welchen Spalt ein einzelnes Elektron geflogen ist, es fliegt gleichzeitig durch beide Spalte. Beim Doppelspaltexperiment ist ein Wellenmuster auf dem Schirm zu sehen. Wenn man sie jedoch kurz hinter dem Spalt beobachtet (mit Licht, Laser, Röntgenstrahl), kommt es zu einem typischen Einschlagmuster von Teilchen. Es kam noch ärger: Auch ein Einzelelektron, bei dem man an ein Körperchen denkt, verhält sich wie eine Welle, wenn es geisterhaft durch beide Spalte fliegt. Siehe hierzu auch den Beitrag über die <Quantenmechanik> mit noch mehr Einzelheiten.

Bild 1. Experimente mit Pistolenkugeln, mit Licht und mit Elektronen. Diese erweisen sich als Teilchen, wenn sie durch einen Spalt geschickt werden, sie sind aber Wellen, wenn man sie durch zwei Spalte schickt.

Bild 2. Das völlig Unbegreifliche: Auch dann, wenn im zeitlichen Abstand einzelne Elektronen durch einen Doppelspalt geschickt werden, erweisen sie sich eindeutig als Wellen.

Bild 3. Bizarrer Charakter, skurriles Verhalten, die Quantenobjekte widersprechen jeglicher normalen Anschauung.

Wie soll man die Doppelspaltexperimente mit Quantenobjekten verstehen? Die Kopenhagener Deutung, die Werner Heisenberg und Niels Bohr im Jahre 1927 ausarbeiteten, sagt folgendes: Ein von einer Quelle emittiertes Quantenobjekt breitet sich wie eine Kugelwelle aus. Diese ist nicht real wie eine Wasserwelle, sondern sie ist eine „Aufenthalts-Wahrscheinlichkeitswelle“, AWW. Das Objekt ist an allen Orten der Welle gleichzeitig und nirgends. Wenn das Elektron im Zustand der Welle ist, kann es nicht exakt lokalisiert werden. Es befindet sich innerhalb der Kugelwelle mit einer großen Wahrscheinlichkeit hier und mit einer kleinen Wahrscheinlichkeit dort. Wo es ist, darüber kann keine Aussage gemacht werden. Wenn es eindeutig lokalisiert wäre, hätten wir ein Teilchen vor uns, das nicht die Fähigkeit zur Welleninterferenz und zur Bildung von Überlagerungsmustern hätte. Im Falle einer „Messung“ (Beobachtung, Markierung, Auftreffen auf Schirm) kommt es zu einem Kollaps der Wellenfunktion, der den Überlagerungszustand beendet und ein klassisches Teilchen erscheinen lässt. Quanten können also nicht dingfest gemacht werden, ihr Ort kann nur durch eine „Aufenthalts-Wahrscheinlichkeitswelle“ AWW angenähert werden.

1926 fand der Österreicher Erwin Schrödinger die quantenmechanische Wellenfunktion Ψ, die mit echten Wellen nur eine formale Ähnlichkeit hat. Elektronen bleiben im Doppelspaltversuch Teilchen, aber Ψ teilt ihnen den wahrscheinlichen Auftreffpunkt zu, je nachdem, welchen Spalt sie durchflogen haben (Einstein bezeichnete die AWW spöttisch als „Gespensterfeld“). Die AWW jedes Elektrons fließt durch beide Spalte, beide Teilwellen interferieren konstruktiv oder destruktiv miteinander, wie bei echten Wellen. Dadurch entsteht das hell-dunkle klassische Wellenmuster. Die tatsächliche wellenförmige Lokalisierung vieler Elektronen entspricht der Wahrscheinlichkeitsberechnung gemäß der Wellenfunktion Ψ. Es bleibt offen, durch welchen Spalt ein bestimmtes Elektron geschlüpft ist. Die Kugelwelle stellt ein einziges Elektron dar, das, wenn es auf dem Projektionsschirm am Ort x detektiert wird, augenblicklich in den Teilchen-Zustand übergeht und den Punkt x markiert. Die übrige Welle, in der das Teilchen im Moment des Aufpralls nicht war, hört augenblicklich auf zu existieren, sie „kollabiert“.

Bild 4. Österreich ehrt den berühmten Quantenphysiker Erwin Schrödinger mit einem Tausend-Schilling-Schein. Ein würdevolles Portrait und das Symbol Ψ der Schrödinger-Gleichung sind dargestellt. Er erhielt den Nobelpreis und war Professor in Jena, Stuttgart, Breslau, Zürich, Berlin, Oxford, Dublin und Wien.

 Das ist die berühmte Schrödinger-Gleichung:

Ψ ist die orts- und zeitabhängige Funktion der Kugelwelle mit dem Radius r vom Kugelmittelpunkt und der Zeit t. Sie erlaubt die Berechnung des wahrscheinlichen Aufenthaltsortes des Quantenobjekts innerhalb der Kugelwelle. Mit ihr kann man auch die wahrscheinlichen Aufenthaltsräume der Elektronen im Atom bestimmen, womit ein neues wellenmechanisches Atommodell entwickelt werden konnte, das eine bedeutende Weiterentwicklung des alten Bohr´schen Atommodells darstellte. Auf die einzelnen Therme der Gleichung und ihre Handhabung kann hier nicht eingegangen werden. Eine sehr gut verständliche Ableitung und Beschreibung findet sich in dem Buch von S. Arroyo Camejo: Skurrile Quantenwelt, Springer, 2006.

Es wurden auch Doppelspaltversuche mit größeren  Elementarteilchen, wie Nukleonen und großen Molekülen, den Fullerenen durchgeführt. Diese bestehen aus 60, 70 und mehr kugelförmig angeordneten Kohlenstoffatomen und sind eine weitere Modifikation neben Ruß, Graphit und Diamant. Auch bei ihnen wurde ein Teilchen-Welle-Dualismus nachgewiesen.

Bild 5. Ein Fulleren-Molekül, auch Fußballmolekül oder buckyball genannt – befindet sich, trotz seiner Größe, auch in einer Aufenthalts-Wahrscheinlichkeitswelle beim Durchströmen eines Doppelspalts.

Die Unschärferelation. In der klassischen Physik hat eine auf dem Tisch rollende Billardkugel zu einem bestimmten Zeitpunkt einen bekannten Ort x und eine bekannte Geschwindigkeit v und deren Richtung, woraus sich x und v im nächsten Zeitpunkt bestimmen lassen. In der Quantenphysik jedoch ist es ganz anders, ist dieser Kausalzusammenhang zwischen Ursache und Wirkung aufgehoben.

Der geniale Quantenphysiker Werner Heisenberg steuerte 1927 mit seiner Unschärferelation das Entscheidende zum Charakter der Quantenobjekte bei: Das Produkt aus der Ungenauigkeit (Unschärfe) des Ortes und der Ungenauigkeit (Unschärfe) des Impulses eines Teilchens ist konstant, und zwar proportional dem Planckschen Wirkungsquantum h. Der Ort wird mit x, die Ungenauigkeit mit Δx bezeichnet. Der Impuls ist das Produkt der Masse eines Körpers m und dessen Geschwindigkeit v, die Ungenauigkeit des Impulses wird mit Δ(mv) bezeichnet.

      h = 6,626·10^-34 Js…Plancksches Wirkungsquantum = konstant

Das Teilchen hält sich irgendwo innerhalb des Ortsbereichs Δx auf und sein Impuls, also bei gegebener Masse, seine Geschwindigkeit, innerhalb des Bereichs Δ(mv). Will man nun die Bahn eines Teilchens berechnen, müsste man versuchen, Δx und Δ(mv) möglichst klein werden zu lassen. Wenn sie zu Null würden, wären wir in der klassischen Physik, und die Bahnberechnung wäre genau möglich. In der Welt der Elementarteilchen jedoch können laut obiger Ungleichung Δx und Δ(mv) niemals Null sein. Man kann den Ort eingrenzen, d.h. Δx möglichst klein machen, dann ist aber Δ(mv) groß, d.h. die Geschwindigkeit nach Größe und Richtung völlig ungenau. Oder man kann die Geschwindigkeit eingrenzen, d.h. Δ(mv) möglichst klein machen, dann ist aber Δx groß, d.h. die Ortsbestimmung völlig ungenau. Das liegt daran, dass das Produkt aus beiden immer konstant sein muss, wenn also das eine groß ist, muss das andere klein sein.

Die Unschärferelation stellt keine Messunsicherheit der Instrumente dar. Sie kann nicht aus der Welt geschafft werden, wenn man genauere Geräte verwendet, sondern ist ein Naturgesetz, eine grundlegende Eigenschaft der Materie. Sie schränkt unsere Kenntnis über den Aufenthaltsort, die Geschwindigkeit und damit die Bahnen der Mikroteilchen ein. Der Ort des Quantenobjekts kann nur durch die von Schrödinger beschriebene Aufenthalts-Wahrscheinlichkeitswelle mathematisch angenähert werden.

Bild 6. Zwei verschränkte Photonen mit um 90° verdrehten Polarisationsebenen werden in einem nichtlinearen optischen BBO-Kristall (ß-Bariumborat) aus einem Photon erzeugt.

Verschränkte Quantenteilchen - unser Verstand ist am Ende. Es kommt noch verrückter: Die Verschränkung von Quanten ist bis heute der Frontalangriff auf unseren gesunden Menschenverstand. Sie geht auf ein Gedankenexperiment von Einstein, Podolsky und Rosen (EPR) im Jahr 1935 zurück, mit dem sie eigentlich die Widersinnigkeit der Verschränkung beweisen wollten. Einstein damals: Gott würfelt nicht!  Worum geht es? In einer Apparatur mit halbdurchlässigen Spiegeln wird über einen nichtlinearen optischen Bariumborat-Kristall aus einem Photon ein "verschränktes" Photonenpaar EPR mit um 90° verdrehten Polarisationsebenen erzeugt und separat mit Lichtgeschwindigkeit in den Raum geschickt. Wird nun am Photon A die Polarisationsebene z.B. zu α = 0° gemessen, zeigt Photon B augenblicklich (ohne jede Verzögerung) α = 90° an und umgekehrt, auch wenn der Abstand der Teilchen inzwischen Lichtjahre beträgt! Die Teilchen sind körperlich getrennt und nicht durch Informationsübertragung verbunden, sondern lediglich durch die gemeinsame Aufenthalts-Wellenfunktion beschrieben. Das Geheimnis der Verschränkung von EPR-Teilchen: Noch in makroskopischer Entfernung benehmen sie sich wie siamesische Zwillinge, quasi mit einem simultan agierenden Gehirn. Quantenphysiker Jeff Kimble vom California Institute of Technology: Verschränkung ist, wenn das eine Teilchen gekitzelt wird und das andere lacht. Und ER würfelt doch!

Bild 7.Verschränkung - übertragen ins tägliche Leben: Zwei gleiche Münzen rotieren aufrechtstehend auf je einem Tisch. Münze A fällt zufällig auf „Max Planck“. Wären es verschränkte „Quantenmünzen“, fiele Münze B sofort auf „Adler“; B kann nicht unabhängig von A umfallen. Die Verschränkung bleibt bestehen, auch wenn die Tische Lichtjahre voneinander entfernt sind!

Das unfassbare Phänomen der Verschränkung hat das bis dahin feste Gebäude der Physik ins Wanken gebracht, und das war ja geprägt durch das scheinbar unumstößliche Prinzip von "Ursache und Wirkung", tue irgend etwas mit einem Körper, einem Strahl, einer Welle, einem Strom, und es wird sich eine vorausberechnete Wirkung einstellen. Danach blieb auch ein Teilchen ein Teilchen, eine Welle eine Welle, und eine geisterhafte "Überlagerung" beider schien undenkbar. Nach der Entdeckung der verschiedenen Merkwürdigkeiten der Quantenmechanik ist heute nichts mehr wie es mal war. Die Verschränkung ist heute anerkannt, aber man versuchte bisher vergeblich hinter das Geheimnis der augenblicklichen Reaktion des zweiten Teilchens zu kommen, wenn am ersten eine Messung vorgenommen wurde. Augenblicklich heißt augenblicklich und nicht erst nach Aussendung eines Lichtstrahls von Teilchen A und Ankunft des Strahls bei B. Also gibt es doch eine Informationsübertragung, die schneller ist als das Licht? Nein, bei diesen Quantenzwillingen handelt es sich nicht um Informationsübertragung, denn die maximal mögliche Geschwindigkeit ist die Lichtgeschwindigkeit, und die ist endlich, zwar mit 300 000 km/s unverstellbar groß, aber doch nicht unendlich groß. Die Quantenzwillinge sind "lediglich" an die gemeinsame Wellenfunktion gekettet. In der Natur existieren also Beziehungen zwischen Systemen, die unabhängig von Raum und Zeit sind (das sind die spukhaften Fernwirkungen, mit denen Einstein zeit seines Lebens unzufrieden war; er konnte sich nicht mit dem Wahrscheinlichkeitscharakter der Quantentheorie abfinden). John Bell gelang 1964 der theoretische Nachweis, dass A und B miteinander verschränkt sein können. 1982 wies Alain Aspect auch im Experiment die Fernwirkung nach.

Quanten - Grundlage vieler nützlicher Erfindungen. Die beschriebenen Ergebnisse der Grundlagenforschung mit diesen verrückt agierenden Quanten ließen die Wissenschaftler erstmal ratlos zurück. Bis etwa 1970 haderten sie und hatten damit zu tun, die schwere Kost zu verdauen. Dann jedoch begann die Morgenröte des positiven Pragmatismus, neues Leben zog in die verrückte Quantenwelt ein, jetzt begann sie unser aller Leben zu verändern. Eine neue, junge Generation von Experimentatoren spielt mit Quanten wie mit Bällen eines genialen Irren und haut die klassische Physik lustvoll in Stücke. Sie kümmern sich nicht mehr um die Ungereimtheiten der Quantenphysik, sie fragen nur, was können wir mit ihr in der Praxis anfangen? Und siehe da, ein wahres Füllhorn tat sich auf! Mit Halbleiter-Elektronik, Mikroprozessoren, Laser, Nanotechnologie fingen sie an; z.B. auch der neue superfest-elastische TWIP-Stahl (Twinning Induced Placidity) basiert auf Quanten-Prinzipien. Aber jetzt geht es erst richtig los: Quanteninformatik, Quanten-Kryptografie, Quanten-Teleportation, Quanten-Computer... Der gravierende Unterschied zur klassischen Information (Information ist Mitteilung, Nachricht, Auskunft über etwas oder jemanden) mit dem digitalen Bit als Träger ist die von einem Quantenobjekt getragene Informationseinheit Qubit (sprich kjubit).

Die modernen Anwendungen der Quantenmechanik. Uns ist wahrscheinlich nicht klar, wie stark unser alltägliches Leben inzwischen von Max Plancks Quantenrevolution beherrscht wird: Laserstrahl,  CD-oder MP3-Player, Halbleiter- und Mikroelektronik, Nanotechnologie, medizinische Geräte, Computer, Elektronenmikroskope in ihren verschiedenen Varianten Rastertunnel, Rasterkraft, Rasterionen, CCD- und CMOS-Sensoren in den Digitalkameras, LED-Lichttechnik (Kfz, Ampelanlagen, Taschenlampen), Flüssigkristallbildschirme, usw., usw.

Hinzu kommen große Projekte, an denen noch gearbeitet wird. Die Quantenkryptografie, also die Nachrichtenverschlüsselung, benutzt zwei in Polarisation verschränkte Photonen aus einer EPR-Quelle. Die Verschlüsselung ist, anders als bei der „Enigma“, nicht mehr zu knacken. Die Quanten-Teleportation ist das instantane Übersenden der in einem Quantenzustand enthaltenen Information an einen beliebig weit entfernten Empfänger unter Ausnutzung von Verschränkung. In einem Photon kann die Information in Form der Polarisationsrichtung enthalten sein. Der Quantencomputer bietet eine reale, absehbare Zukunft. Er trägt im Qubit die Information 0 und 1 gleichzeitig, z.B. die Polarisationsrichtung, d.h. tu sowohl dies als auch das! Mehrfach verschränkte EPR-Teilchen ermöglichen Prozesse auf verschiedenen Ebenen gleichzeitig. Zwei Qubits nehmen alle im quantenmechanischen Überlagerungszustand gleichzeitig die Zustände 00, 01, 10 und 11 an. Ein herkömmlicher Rechner kann bei 10 Bits 20 Rechenoperationen jeweils nacheinander verarbeiten, ein Quantencomputer kann bei 10 untereinander verschränkten Qubits 1024 Rechenoperationen gleichzeitig verarbeiten. Wissenschaftler sagen, dass der Quantencomputer nicht vor 2020 einsatzfähig sein wird, weil es noch sehr schwer wiegende Probleme zu lösen gibt, z.B. Wechselwirkung mit der Umgebung, Kollaps der Überlagerung durch Auslesung, die Betriebstemperatur…Wenn er einmal fertig sein wird, kann die Berechnungszeit unermesslich verkürzt werden. Siehe hierzu auch im Beitrag über die <Quantenmechanik> noch mehr Einzelheiten.

Die Planck-Einheiten bilden ein natürliches Einheitensystem. Sie werden aus drei Naturkonstanten hergeleitet, nämlich der Gravitationskonstanten G, der Lichtgeschwindigkeit c und dem Planck´schen Wirkungsquantum h und markieren Grenzen der Anwendbarkeit der bekannten Naturgesetze. In der Natur sind keine physikalischen Strukturen möglich, die kleiner als die Planck-Länge sind. Die kleinstmögliche Zeit ist die Planck-Zeit, die das Licht benötigt, um die Strecke einer Planck-Länge zu durchqueren. Sie stellt den kleinsten, physikalisch sinnvollen Zeitabschnitt dar. Die Planck-Masse ist die kleinstmögliche existierende Masse. Die unvorstellbar kleinen Planck-Einheiten sagen aus, dass der Raum, die Zeit und die Masse „körnig“ sind, ein Attribut, das bei dem Versuch der Entwicklung einer Quantengravitation, der Vereinigung der Quantenmechanik und Relativitätstheorie, eine große Rolle spielt.

Bild 8. Am Anfang war der Planck. Dann kamen bedeutende Physiker aus Deutschland, Dänemark, Österreich, Frankreich, die das Revolutionäre der Quantentheorie erkannten und so zur Gründergeneration der nichtklassischen Physik wurden. Was sie herausfanden, sprengte den Rahmen des bisher Bekannten. Ihre Grundlagenforschung bereitete ein weites Feld für zahlreiche Erfindungen der gegenwärtigen Zeit, die uns einen Großteil unseres heutigen Bruttosozialprodukts bescheren. Und die Erfindungen und Entwicklungen gehen ungebremst weiter…

Was haben die Quantenphysiker herausgefunden? Die kleinsten Teilchen wollten die Quantenphysiker erkunden, sozusagen „the heart of the matter“. Sie stießen auf Atome, Quarks, Elektronen, Photonen. Sie fanden, dass im Mikrokosmos nichts absolut ist, sondern „unscharf“, während in der Relativitätstheorie alles relativ ist. Quantenobjekte sind scheu, schemenhaft, geisterhaft, überall und nirgends, sie halten sich in einem Überlagerungszustand in einer Aufenthaltswahrscheinlichkeitswelle auf, sind Weder-Noch-Objekte, unfassbar in ihrer Doppelbedeutung. Sie führen ein Doppelleben: Materie-Teilchen sind Wellen, Lichtwellen sind Teilchen. Wenn man sie beobachtet, bricht ihre Doppelnatur in sich zusammen. Der objektive Zufall ersetzt Ursache/Wirkung, wie wir sie aus dem täglichen Leben und aus der klassischen Physik kennen. Fassungs- und verständnislos stehen wir vor dem Geheimnis der Verschränkung: EPR-Teilchen handeln noch in Lichtjahren Entfernung wie siamesische Zwillinge, quasi mit „einem simultan agierenden Gehirn“.

Albert Einstein: Falls Gott die Welt geschaffen hat, war seine Hauptsorge sicherlich nicht, sie so zu machen, dass wir sie verstehen können.

The heart of the matter besteht aus unvorstellbar kleinen, aber Elementen endlicher Größe. Die Strecken, Flächen, Volumina, die Masse, die Dichte, nichts ist kontinuierlich, sondern alles ist "körnig", "verquantelt", sogar die Zeit vergeht nicht gleichmäßig, sondern rückt in kleinsten Intervallen vor.

Die Suche nach dem Heiligen Gral der Physik: die Quantengravitation. Die zwei Säulen der modernen Physik haben uns ermöglicht, den letzten Naturgeheimnissen nahezukommen. Die Quantenmechanik beschreibt widerspruchsfrei den Mikrokosmos (ohne dass wir ihn verstehen), die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt den Makrokosmos präzise (ohne dass unser Verstand ihm folgen kann). Aber im Urknall und im schwarzen Loch brechen beide Theoriengebäude haltlos in sich zusammen. Die Quantengravitation, an der weltweit seit Jahrzehnten geforscht wird, versucht für diese Fälle eine Vereinigung beider. Eine Universaltheorie, die Weltformel, die TOE, the theory of everything hat die Quantisierung der allgemeinen Relativitätstheorie zum Ziel. Die Hoffnungen ruhen einmal auf der Schleifen-Quantengravitation und zum anderen auf der Stringtheorie, die beide von ihren jeweiligen Befürwortern für aussichtsreiche Modelle gehalten werden.

Ob die Hoffnungen jemals erfüllt werden? Und wenn die Theorie der Quantengravitation jemals stehen sollte, wie wird es um ihre experimentelle Nachprüfbarkeit stehen?

Bild 9. Die Quantengravitation, der Heilige Gral der Physik, die letzte Lücke, die im stolzen Gebäude der Physik geschlossen werden muss.

Bildnachweis

Bild 1: eigene Skizze. Bild 2: Aus: Prof. J. Audretsch: „Verschränkte Welt“. Bild 3: aus thp.uni-koeln mit eigenen Ergänzungen. Bild 4: Wikipedia, gemeinfrei. Bild 5: Wikipedia, Urheber Sponk, CC-BY-SA Unported 3.0. Bild 6: eigene Skizze. Bild 7: gemeinfrei. Bild 8: alle Wikipedia, Heisenberg Urheber Bundesarchiv_Bild183-R57262, gemeinfrei; Dirac Urheber  Nobel Foundation, gemeinfrei; Pauli Urheber Bettina Katzenstein, CC-BY-SA Unported 3.0; übrige gemeinfrei, Schutz abgelaufen. Bild 9: eigene Skizzen und Schleifenquantengravitation Spektr. D. Wiss. 06/2007; Stringtheorie M. Kulyk/SPL/Agentur Focus.