Quanten in unserem Alltag

Der Philosoph Herbert Pietschmann, der Physiker Harold Steinacker und der Mathematiker Roland Steinbauer, alle Uni Wien, über die Quanten und uns

Alexandra Markl | aus HEUREKA 4/15 vom 14.10.2015

Falter Heureka: Wie beeinflusst uns die Quantenphysik im Alltag?

Herbert Pietschmann: Gar nicht - oder vollständig. Die Quantenphysik wird erst im Mikrokosmos wirksam, wenn es um den Aufbau von Atomen geht, die wir im Alltag nicht spüren. Aber alle modernen Geräte, die wir verwenden wie Mobiltelefon, Computer oder Laser, sind nur aufgrund der Erkenntnisse der Quantenphysik möglich. Wie auch der Transistor, ohne den wir noch immer Röhren im Radio hätten.

Ohne Quantenphysik geht also nichts?

Pietschmann: Interessant ist ja, dass vier Nobelpreisträger, die wesentlich in der Entwicklung der Quantentheorie waren, nämlich Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie und Erwin Schrödinger, meinten: Die Quantenphysik ist keine anständige Wissenschaft, da machen wir nicht mehr mit. So wird die Schrödinger-Gleichung etwa überall in Physik und Chemie gebraucht. Er selbst hat aber die Interpretation seiner Gleichung, die in der Quantenmechanik ganz wesentlich ist, nie anerkannt, weil sie auf einen Widerspruch führt. Und der sollte in der Wissenschaft nicht vorkommen.

Darf es in der Naturwissenschaft keine Widersprüche geben?

Pietschmann: Das mechanistische Denken leidet an Aristoteles. Für ihn gibt es keine Widersprüche, sondern immer nur ein entweder/oder. Das ist zwar nützlich in den Naturwissenschaften, aber in der Quantentheorie steht man dann an.

Wo liegt das Problem?

Pietschmann: Das Ganze ist nicht mehr als die Summe seiner Teile, sondern das Ganze ist etwas anderes als die Summe seiner Teile. Das heißt, zwei Teilchen, die von einem Teilchen ausgesendet werden, stammen aus einem Ganzen und sind miteinander verschränkt. Wenn sie auseinanderfliegen und man an einem Teilchen eine Messung macht, verändert sich am anderen Teilchen die Eigenschaft. In der Quantenphysik werden die Eigenschaften eines Objektes durch die Messung also nicht festgestellt, sondern hergestellt.

Die Verschränkung wird ja auch herangezogen, um übersinnliche Phänomene zu erklären

Pietschmann: Das ist ein Unsinn. Die Quantenphysik gehört zur Wissenschaft der Materie. Und nach der Descartschen Spaltung von Geist und Materie gehört das Bewusstsein in den Bereich des Geistes, daher kann die Quantenphysik unter keinen Umständen das Bewusstsein erreichen.

Gibt es nicht die Sehnsucht, über die Trennung von Naturwissenschaft und Religion hinwegzukommen?

Pietschmann: Natürlich. Aber dieser großartige Erfolg der Naturwissenschaft beruht eben darauf, gewisse Fragen auszuklammern. Das ist die Frage nach dem Sinn, den kann man in der Naturwissenschaft nicht finden. Und da glauben manche Leute, es gäbe überhaupt keinen Sinn. Das ist aber ein Missverständnis: Denn die Naturwissenschaft ist eben nicht alles.

Am Quantencomputer wird intensiv geforscht - aber was soll er uns bringen?

Harold Steinacker: Das ist Zukunftsmusik. Der Quantencomputer will Quantenphänomene noch stärker ausnutzen, um gewisse Dinge effizienter rechnen zu können, etwa auch im Zusammenhang mit Kryptografie, also Verschlüsselung. Derzeit bringt er aber noch nicht viel. Es kann jedoch wichtig sein, um physikalische Prozesse zu simulieren, was vor allem für die Forschung relevant wäre.

Hat die Quantenphysik auch ihre Grenzen?

Steinacker: Ich sehe eher die klassische Physik an ihre Grenzen stoßen. Was aber vor allem an die Grenzen stößt, ist unser theoretisches Verständnis. So wissen wir, dass die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik nicht ganz zusammenpassen - aber nicht warum.

Warum ist es wichtig, diese Theorien in Einklang zu bringen?

Steinacker: Aus Prinzip: Wir wissen, dass wir gewisse Dinge nicht verstehen. Und das kann man als Wissenschafter nicht akzeptieren. Aus dem Bedürfnis, die Atome zu verstehen, ist die Quantenmechanik entstanden. Es geht darum: Wie funktioniert die Welt? Der Großteil des Universums, 70 bis 80 Prozent davon, besteht ja aus etwas, das wir noch überhaupt nicht verstehen.

Was ist an dieser Forschung so faszinierend?

Steinacker: Man weiß, dass es im Zentrum unserer Milchstraße ein gigantisches schwarzes Loch gibt. Und es gibt interessante Beobachtungen: Dinge, von denen man weiß, dass sie existieren und unvorstellbare Größen haben. Das wird nicht wirklich verstanden, auch weil es der Quantenphysik widerspricht. Man versucht, die astronomischen Beobachtungen zu verbessern. Die Masse der schwarzen Löcher kann man bis zu einem gewissen Grad messen. Dann versucht man die indirekten Effekte, welche diese Objekte produzieren, mit theoretischen Modellen zu vergleichen. Das betrifft etwa Pulsare: kleine Sterne, die 400mal pro Sekunde um die eigene Achse rotieren und akustische Signale senden. Das sind einfach unvorstellbare Phänomene.

Wo erleben wir die Relativitätstheorie im Alltag?

Roland Steinbauer: Zum Beispiel, wenn wir von Wien nach New York fliegen! Da fährt man nämlich nicht, so wie man glauben könnte, einfach westlich. Man muss vielmehr knapp an Grönland vorbei. Das kommt so: Die Grundgleichung der Relativitätstheorie besagt, dass die Krümmung der Raumzeit proportional zur ihrem Materie- und Energieinhalt ist. Man kann sich das so vorstellen: Wenn man ein Netz nimmt und in der Mitte eine Kugel auflegt, wölbt sich das Netz. Und der einfachste gekrümmte Raum ist die Kugeloberfläche. Auf der Kugel, hier der Erde, ist die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten natürlich nicht gerade, sondern der Großkreisbogen: Man schneidet die Ebene, auf der diese zwei Punkte liegen und den Kugelmittelpunkt mit der Kugel. Und so führt der kürzeste Weg von Wien nach New York eben an Grönland vorbei.

Wie wird Krümmung noch lebendig?

Steinbauer: Beim Pizzaessen. In jedem Punkt einer Fläche gibt es eine Richtung größter und eine Richtung kleinster Krümmung. Wenn man diese beiden Krümmungen multipliziert, ergibt sich eine Größe, die invariant ist, d.h. sie verändert sich nicht, wenn man die Fläche verformt. Wenn ich also eine Pizzaecke vom Teller nehme und aufbiege, entsteht eine Krümmung. Nachdem das Produkt der größten und kleinsten Krümmung 0 bleiben muss, gibt es eine Richtung, in der es keine Krümmung geben kann. Das ist eben die Richtung zur Spitze hin, und diese Spitze hängt vorne nicht einfach herunter. Man denkt nicht darüber nach, aber da steckt ein mathematischer Satz dahinter.

Wie entwickelt sich die Relativitätstheorie weiter?

Steinbauer: Die Einstein'schen Gleichungen gibt es seit einhundert Jahren und man hat bis jetzt keinen endgültigen Überblick über das, was sie alles aussagen. Darüber hinaus gibt es mehrere Theorien, welche versuchen, Quantentheorie und Relativitätstheorie zu vereinen. Weil dazu wenig Experimentelles vorliegt, ist eine der Möglichkeiten, zu so einer Theorie zu kommen, mathematische Eleganz.

Mathematik ist ein Riesengebiet. Wenn man sein ganzes Leben fleißig Mathematik studiert und lernt und wirklich gut ist, kann man am Schluss vielleicht zehn Prozent davon wissen.

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