Quantenphysik: Ein Forschungs-Reisebericht Happy Birthday „Heisenbergsche Unschärferelation“

Gewiss ist, dass nichts Gewiss ist – so könnte man frei nach Joachim Ringelnatz Quantenphysik beschreiben. Denn in der Welt der Teilchen gelten andere Gesetze. Werner Heisenberg hat das vor genau 90 Jahren mit seiner Unschärferelation zum ersten Mal beschrieben und damit die Tür in diesen anderen Bereich der Physik aufgestoßen – ohne die unsere digitale Welt kaum möglich wäre. Fachdidaktiker und Physiker Dr. Torsten Franz nimmt mich mit auf eine Reise in die Quantenwelt.

Symbolbild: Die Formulierung einer Unschärferelation zwischen von Ort und Impuls eines Teilchens von Heisenberg (Bildnachweis: Stephan Nachtigall/TU Braunschweig).

Naturwissenschaftler wie Dr. Torsten Franz müsste es schier um den Verstand bringen, dass sie physikalische Werte, wie die Geschwindigkeit und die Position eines Photons nicht genau messen können. Aus meinem Studium bin ich Unschärfe gewohnt – nicht jeder Fakt, jede Quelle kann sofort eingeordnet werden. Doch dass ein Naturwissenschaftler so gelassen davon berichtet, dass es in der Quantenphysik schlicht unmöglich ist, bestimmte Werte gemeinsam mit beliebiger Genauigkeit zu messen, überrascht mich. Wie es wohl Werner Heisenberg ging, als er vor 90 Jahren seine Unschärferelation formulierte? Unscharf ausgedrückt ist sie die Grundlage für das, was uns heute ein Leben mit allen Vorzügen und Nachteilen der Digitalisierung ermöglicht. Die basiert nämlich immer stärker auf dem, was wir in der Quantenwelt messen und verstehen können.

Werner Heisenberg untersuchte damals zwei Messwerte eines Teilchens: seinen Ort und seinen Impuls. Beide lassen sich bestimmen, jedoch nicht zusammen mit beliebiger Genauigkeit. Beide Messwerte werden also nie denselben Grad an Schärfe erreichen. Heute kennt man viele Unschärferelationen, die für verschiedene Anwendungen der Quantenphysik eine Bedeutung haben, so Franz. Schon jetzt kündigt sich eine Entwicklung an, die als „zweite Quantenrevolution“ bezeichnet wird. Sie ist vor allem mit den Begriffen Quantencomputer und Quantenkommunikation verbunden. Darunter die Quantenkryptographie, für die Franz sich besonders interessiert. Denn mit Hilfe von Quantenphysik könnte man Kommunikation abhörsicher machen und nutzt dabei ein Grundprinzip der Unschärfe: Weil man ein Quantensystem nicht messen kann, ohne den Zustand des Systems zu stören, ist es auch nicht möglich, eine Quantennachricht abzuhören, ohne Spuren zu hinterlassen.

Ob ich als Schüler Quantenphysik so gut verstanden hätte, wie bei meinen Besuch bei Torsten Franz und dem Team der Abteilung Physik und Physikdidaktik, weiß ich nicht. Franz erklärt mir, dass die meisten Beispiele, wie ich sie noch aus dem eigenen Schulunterricht kenne, nicht geeignet wären, um Quantenphysik verständlich zu machen. Einen einfachen Zusammenhang, wie er in der Schulphysik etwa zwischen Weg, Zeit und Geschwindigkeit existiert, gibt es in Welt der Quantenphysik nicht. Damit allerdings die Quantenwelt den Schülerinnen und Schülern von heute und natürlich auch ihren Lehrerinnen und Lehrern nicht verschlossen bleibt, haben die Expertinnen und Experten der Physikdidaktik an der Carolo-Wilhelmina das Kurssystem „quaNTH“ entwickelt. Es bietet vier Onlinekurse zu den Grundlagen der Quantenphysik und der Quanteninformation.

Heisenberg wusste sicher nicht, dass Ingenieurinnen und Ingenieure nicht zuletzt wegen seiner Ergebnisse heutzutage die Quantenmetrologie vorantrieben, wie sie beispielsweise beim Nachweis von Gravitationswellen eingesetzt werden kann. Schon vor seiner Zeit galt die Geschichte der Physik eigentlich schon als zu Ende erzählt. Weiter als Sir Isaac Newton werde man nicht gehen können, so die Meinung vieler damaliger Wissenschaftler. Wie gut, dass sie sich in dieser Sache geirrt haben.