Fachtagung des Deutschen Philologenverbandes: „Quantenphysik und gymnasiale Bildung“

Heinz Durner war zwischen 1992 und 2001 Vorsitzender des Deutschen Philologenverbandes, zwischen 1980 und 1992 Vize-Vorsitzender, heute ist er Ehrenvorsitzender des Verbandes. Durner ist Physiker und Mathematiker. Credit: Claus Schunck

Von Heinz Durner 

München – Bizarr, geheimnisvoll und enorm wichtig für unsere Zukunft – in den Phänomenen der Quantenwelt steckt enormes Potential. Seit mehr als 30 Jahren fasziniert mich die Quantenmechanik, die Lehre von Atomen, Elektronen, Quarks und Photonen. Seit mehr als 30 Jahren fasziniert mich diese Welt des Allerkleinsten. Sie bildet heute nicht nur die Grundlage für das Verständnis vieler Phänomene der Naturwissenschaften, sondern ebenso für die Entwicklung von Lasern, Handys oder „Quantentomographenröhren”: Man kann anhand dieser Techniken geradezu von einer zweiten Quantenrevolution sprechen. Die Quantenmechanik wird unser aller Leben immer stärker beeinflussen. Deshalb ist es gut und wichtig, dass der Deutsche Philologenverband am 1. April zu einer Fachtagung nach München einlädt, die sich mit diesem zukunftsweisenden Thema beschäftigt! Die Quantenmechanik ist heute – 122 Jahre nach ihrem Beginn die bedeutendste wissenschaftliche Theorie für unser Leben.  

Vielleicht wundert sich der eine oder andere, warum ausgerechnet Albert Einstein (1879 – 1955) den Titel dieser PROFIL-Ausgabe ziert. Wo er die Quantenwelt doch ein Leben lang abgelehnt und auf neue erklärende Variablen gehofft hat. Mit ausgefuchsten Gedankenexperimenten (Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon) hat Einstein versucht, die Quantenwelt zu widerlegen. Doch gelungen ist es ihm nicht. Stattdessen ist das Relativitätsgenie mit dem Photoeffekt sogar zum Türöffner der Quantenwelt geworden, hat die in seinen theoretischen Ergebnissen sich zeigende „spukhafte Fernwirkung der Verschränkung“ bis zum Lebensende abgelehnt und gleichzeitig mit seinen Leistungen der Quantenmechanik den Weg bereitet. Willkommen in der Quantenwelt, Albert Einstein! 

Albert Einstein (1879 – 1955) gilt als einer der Wegbereiter aber auch Kritiker der Quantentheorie, Credit: Österreichische Zentralbibliothek für Physik, Wien / Nachlass Hans Thirring

Die Quanten-Revolution 

Ende des 19. Jahrhunderts glaubte man ziemlich sicher: die Einteilung der physikalischen Welt sei mit den Gesetzen klassischer Mechanik, der Elektrodynamik, der Thermodynamik sowie den Beschreibungen der Atommodelle abgeschlossen. Bekannt ist die Warnung an Max Planck (1858 – 1947), als ihm von seinem Lehrer zum Studium der Physik abgeraten wurde, mit dem Hinweis, dass jetzt alles erforscht sei. 

Am 14. Dezember 1900 entdeckte Max Planck das Wirkstoffquantum „h”, die fundamentale Größe zur Welt der Quanten. Nicht umsonst sagte Max Planck zu seinem Sohn: „Ich habe heute eine ebenso wichtige Entdeckung gemacht wie Newton!” Doch der Siegeszug der bizarren Quantenwelt sollte erst 20 Jahre später beginnen! Max Born (1882 – 1970), Werner Heisenberg (1901 – 1976), Wolfgang Pauli (1900 – 1958), Paul Dirac (1902 – 1984), Erwin Schrödinger (1887 – 1961) und Plancks „Wirkungsquantum” die neue Quantenmechanik der 1. Generation. 

Unsere modernen Technologien und unser Leben sind dadurch geprägt: Computer, Handy, Laser, GPS-Systeme, MRT-Röhre oder das alles beherrschende Internet. 

Die Quantenphysik und ihre Technologien sind längst konkreter Teil unseres Lebens. Aber die Forschung entwickelt sich dynamisch weiter: Seit einigen Jahren wird deutlich, dass die Quantenmechanik noch enorme technologische Möglichkeiten bietet. Der Quantenphysiker Rainer Blatt (Universität Innsbruck) sagt für das 21. Jahrhundert ein weiteres Jahrhundert der Quantentechnologie voraus. Wirtschaft als auch Gesellschaft würden so noch einmal fundamental verändert werden.  

Beruhte die 1. Quantenrevolution im Wesentlichen auf der Steuerung ganzer Elektronenorbitale oder der gezielten Anregung einer großen Anzahl von Photonen (Laser-Technik) oder der diskreten Quantensprünge in einer Atomuhr, so geht es bei der 2. Revolution um etwas ganz Neues: Um die gezielte Präparation, Steuerung, Kontrolle und Manipulation, z. Bsp. die Bewegung von Valenzelektronen oder anderer Quantenteilchen! 

Mit immer mehr Unmöglichkeiten mussten die Physiker lernen umzugehen: Superposition/Überlagerung – Quantenobjekte können mehrere Zustände gleichzeitig aufweisen oder zum gleichen Zeitpunkt an verschiedenen Orten sein. 

Es ist die Grundeigenschaft der Wahrscheinlichkeit: Quantenobjekte besitzen keine festgelegten Eigenschaften, diese sind nur mit Wahrscheinlichkeiten anzugeben und erst im Moment der Messung bricht das Wahrscheinlichkeitspaket zusammen. 

Am merkwürdigsten aber ist und bleibt die Verschränkung räumlich getrennter Quanten: Selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind (und sei es der Weg bis zu Andromeda) können zwei Teilchen wie durch Zauberei miteinander verbunden sein. Diese Experimente wurden zuerst von Dr. Anton Zeilinger (Universität Wien) und Prof. Rainer Blatt (Universität Innsbruck) durchgeführt –  auf eine Entfernung von 170 km. Hier stößt unser Vorstellungsvermögen an seine Grenzen: Das Wesen und die Eigenschaften von Quantenobjekten sind hochabstrakt und lassen sich mit herkömmlichen Denkstrukturen nicht mehr vereinbaren. Man kann verstehen, dass Albert Einstein, dies abgelehnt hat. Aber trotzdem: Die neue Quantenwelt wurde Wirklichkeit!