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Hintergrund: Max Planck und die Quantenphysik

Max Planck und die Eisbären

  • Die Schwarzweiß-Aufnahme zeigt Max Planck vor einer Tafel. Max Planck 1930; Rechte: AKG

Eigentlich müssten sich Eisbären ganz besonders für das Plancksche Strahlungsgesetz interessieren. Warum? Nur mit seiner Hilfe können heute Klimatologen vorhersagen, wie der Lebensraum der Eisbären in einem Jahrhundert aussehen könnte. Wie schnell sich die Erde erwärmt und dabei das Eis in der Arktis dauerhaft schmelzen lässt, kann nur erfassen, wer genau berechnet, wie viel Sonnenstrahlung die Erde aufnimmt und welchen Anteil sie davon wieder in den Weltraum abstrahlt.

Dafür hat der deutsche Physiker Max Planck (1858-1947) die Grundlage geschaffen – und ganz nebenbei eine Revolution des Denkens in der Physik angezettelt. Denn sein Strahlungsgesetz beschreibt nicht nur, wie die Strahlung eines warmen Körpers wie der Erde zu berechnen ist, sondern auch ein Phänomen, an das damals noch kein Physiker geglaubt hat: die Quanten.

Eine Glühbirne gibt Rätsel auf

  • Die Aufnahme zeigt eine Glühbirne. Eine Glühbirne wird heiß und gibt sichtbar Strahlung ab; Rechte: WDR

Eines der großen Rätsel, die die Physiker Ende des 19. Jahrhunderts beschäftigten, war die Strahlung von heißen Körpern. Auch die besten Berechnungen dazu, schienen einen fundamentalen Fehler zu beinhalten. Innerhalb gewisser Temperaturen ergaben sie recht gute Ergebnisse, zum Beispiel bei einer Glühbirne. Gerade angeschaltet, fühlt sie sich zunächst warm an. Erst sobald sie heiß genug ist, glüht sie für den Menschen sichtbar: zuerst rot, dann gelb und schließlich weiß. Dabei werden die Wellen der Strahlung mit steigender Temperatur immer kürzer. Würde man den Draht in der Birne aber nun weiter erhitzen, müsste er irgendwann überwiegend sehr kurzwelliges ultraviolettes Licht abgeben. Und hier liegt das Problem.

Je kürzer die Wellen einer Strahlung, desto mehr Energie tragen sie. Nach damaligen Berechnungen müsste Strahlung mit sehr kleinen Wellen also unendlich viel Energie transportieren. Nun hat beispielsweise ein Stern wie unsere Sonne trotz großer Temperatur nicht unendlich Energie zur Verfügung. Auch im 19. Jahrhundert war schon bekannt, dass sie tatsächlich nicht allzu viel Energie über kurzwellige Strahlung verschleudert. Es stand also außer Frage, dass das damalige Strahlungsgesetz Verbesserungspotential besaß.

  • Kleiner Eisberg im Meer vor dem Hintergrund eins großen eisfreien Berges an Land.

    Die Arktis eisfrei? Das Polareis geht seit Jahren deutlich zurück; Rechte: dpa

  • Die Aufnahme zeigt einen Strommast durch eine Wärmebildkamera.

    Wärmebildaufnahme: Auch ein Strommast gibt Energie ab; Rechte: dpa

  • Computergrafik eines Quantenraums: Bunte, kristallähnliche Strukturen, die durcheinander liegen.

    Die Welt der Quanten; Rechte: MPI für Gravitationsphysik /Thiemann

Mehr als ein Rechentrick: Plancks Wirkungsquantum

  • Farbiges Porträtfoto von Max Planck. Jahrelang widmete sich Planck dem Rätsel; Rechte: AKG
  • Schwarzweiß-Porträt von Ludwig Boltzmann, darunter seine Unterschrift. Ludwig Boltzmann wurde lange Zeit verkannt; Rechte: AKG

Max Planck, ein gewissenhafter und konservativ gesinnter Wärmetheoretiker an der Universität Berlin, versuchte - wie viele andere Physiker auch - das Rätsel der Wärmestrahlung zu lösen. Doch zunächst vergebens. Jahrelanges Brüten über dem Problem brachten ihn nicht voran – bis er sich "in einem Akt der Verzweiflung", wie er selbst in einem Brief schrieb, von den Gesetzen der klassischen Physik löste. Mit großem Widerwillen benutzte er das damals verpönte Gesetz seines österreichischen Kollegen Ludwig Boltzmann (1844-1906), der schon Jahrzehnte zuvor vermutet hatte, was nun Planck als Lösung des Rätsels erkannte : Energie kann nicht unendlich zerteilt werden.

Ohne dafür eine tiefere physikalische Begründung parat zu haben, nahm Planck an, dass ein glühender Körper Energie nicht in beliebigen Mengen abgeben kann, sondern nur in bestimmten Energiepaketen, den Quanten. Dabei erfand er die Konstante h (von "Hilfsgröße"), das Plancksche Wirkungsquantum, um die kleinstmöglichen Energiepakete mit der Wellenlänge zu verknüpfen. Die Energie eines Quants ist dabei umso größer, je kürzer die Wellen der Strahlung sind. Quanten von ultraviolettem Licht sind demnach kleine Energiebomben.

Zur endgültigen Lösung lieferte Boltzmanns Gesetz die entscheidende Bedingung: die Wahrscheinlichkeit. Denn es ist eher unwahrscheinlich, dass ein glühender Körper genug Energie bündeln kann, um ein so energiereiches Quantum auszusenden. Unsere Sonne sendet daher wenig solche Quanten aus, sondern strahlt hauptsächlich in Wellenlängen, die für uns sichtbar sind.

Einstein tritt auf den Plan

  • Schwarzweiß-Aufnahme Einsteins, der an einer Tafel schreibt. Einstein erkannte die ganze Tragweite; Rechte: AKG
  • Computergrafik von Photonen, die die Sonne verlassen. Eine Möglichkeit von vielen, sich ein Photon vorzustellen; Rechte: Jean-François Colonna

Mit seinem Strahlungsgesetz hatte Planck eine Lösung herbeigezaubert, die hervorragend mit den Beobachtungen übereinstimmte. Die Physikergemeinschaft war allerdings weniger begeistert. Keiner wusste genau, was Plancks Formel zu bedeuten hatte – Planck selbst am wenigsten. Die Quanten waren eher als ein rechnerischer Trick gedacht und wurden dementsprechend auch als solcher behandelt. Es sollte 20 weitere Jahre dauern, bis in der Physik anerkannt wurde, dass die Quanten einen realen Hintergrund hatten.

Dass die Formel von Planck schließlich Allgemeingut wurde, ist vor allem einem zu verdanken: Albert Einstein (1879-1955). Er tat Plancks Arbeit nicht als Rechentrick ab, sondern erkannte als einer der Ersten deren ganze Tragweite. Mithilfe des Planckschen Wirkungsquantums erklärte er das Phänomen des photoelektrischen Effekts und verdiente sich damit den Nobelpreis. Er bewies, dass aus Plancks Gesetz unweigerlich folgt, dass Lichtstrahlen aus kleinen masselosen Energiepaketen bestehen, den Photonen.

Damit stieß er eine 200 Jahre alte Diskussion wieder an: Besteht Licht nun aus Wellen oder Teilchen? Eigentlich hatte man sich nach dem Doppelspaltversuch, einem sehr überzeugenden Experiment des englischen Augenarztes und Physikers Thomas Young (1773-1829) im Jahr 1801, auf ersteres geeinigt. Doch Einstein behauptete nun, keine der beiden Thesen seien richtig oder falsch. Man müsse sie dagegen miteinander verschmelzen.

Die Natur des Lichts ist unscharf!

  • Schwarzweiß-Porträt von Werner Heisenberg Heisenberg erfand die Unschärferelation; Rechte: AKG
  • Schnurgerade Straße. Der Horizont und die Straße sind ein wenig verschwommen. Ein Quantenobjekt kennt Weg und Ort nur ungefähr; Rechte: Pixelio.de

Der Princetoner Physiker Ralph Baierlein hat den Kern des Lichträtsels recht gut getroffen: "Obwohl Licht sich als Welle ausbreitet, tritt es seine Reise als Teilchen an und beendet sie auch so." Es ist also sinnlos, es auf die eine oder andere Eigenschaft beschränken zu wollen. Derselben Meinung war auch ein deutscher Physiker namens Werner Heisenberg (1901-1976). Seine berühmte Unschärferelation lässt sich auch auf die Welle-Teilchen-Debatte übertragen.

Die Relation besagt, dass Aufenthaltsort und Impuls eines Quantenobjekts nicht gleichzeitig exakt messbar sind. Es verbleibt immer ein minimaler Rest Unsicherheit, der – wie hätte es auch anders sein können – genau der Hälfte der Konstanten entspricht, die Planck viel Kopfzerbrechen und einen Nobelpreis beschert hat: dem Planckschen Wirkungsquantum.

Nun ist der Impuls als Maß dafür, wie schnell und wohin sich ein Objekt bewegt, letztlich eine Welleneigenschaft. Schließlich müssen Wellen irgendwohin laufen. Der Ort hingegen ist eher die Eigenschaft eines Teilchens, das sich nicht wie eine Welle ausbreitet, sondern nur an einem Ort zu finden ist. Die Unschärferelation besagt nun, dass eine genaue Bestimmung des Orts den Impuls verzerrt und umgekehrt. Man könnte sagen, ein Quantenobjekt weiß eben nicht ganz genau, wohin es will und wo es sich befindet, sondern nur ungefähr. Wenn wir versuchen, es zu vermessen, zwingen wir es, sich festzulegen, zerstören dabei aber Information. Eine Herausforderung für die Vorstellungskraft, keine Frage.

Noch mehr Rätsel

  • Illustrierter Querschnitt durch einen Kernfusionsreaktor. Für die Kernfusion braucht es die Heisenbergsche Unschärfe; Rechte: mauritius

"Ich glaube, mit Sicherheit sagen zu können, dass niemand die Quantenmechanik versteht", sagte einmal der Quantenphysiker Richard Feynman. Und er muss es wissen, schließlich wird er zu den größten Physikern des 20. Jahrhunderts gezählt und wurde für seine Arbeit auch mit dem Nobelpreis belohnt. Was er sagt, mag nun etwas entmutigend klingen, es zeigt aber nur, dass selbst für einen gestandenen Fachmann die Welt der Quanten noch jede Menge Rätsel birgt.

Dennoch zeigen Phänomene wie zum Beispiel die Fusion von Wasserstoffkernen im Inneren unserer Sonne, dass die Theorien auf dem richtigen Weg sind. Hätten die Kerne nicht eine gewisse Unschärfe in ihrem Ort, würden sie sich nie genug nähern, um zu verschmelzen und dabei Energie freizusetzen. Und eine Planet wie die Erde könnte nie existieren.

So manch andere Theorien sind schwer zu beweisen oder zu entkräften, da sie Vorgänge beschreiben, die für uns noch unsichtbar bleiben. Noch. Schließlich ist seit Plancks Aufbruch in eine neue Physik gerade erst rund ein Jahrhundert vergangen.