„Die Grundmauern beben"

Dort, wo einst der Avantgarde-Künstler Joseph Beuys 7000 Eichen pflanzte, geht es zurzeit tiefgründig zurück zu den Wurzeln: Die hohe Kunst der Quantenphysik ist wirklich in der Kunst angekommen – in der Gegenwartskunst-Ausstellung „dOCUMENTA (13)”, die noch bis zum 16. September 2012 in Kassel zu sehen ist. Die künstlerische Leiterin Carolyn Christov-Bakargiev hatte nämlich den Quantenphysiker Anton Zeilinger nicht nur in ihren Beirat gebeten, sondern auch um einen Beitrag. Und der Physik-Professor an der Universität Wien hatte nach einigem Zögern tatsächlich zugesagt. Somit können Besucher in einem Museumsraum des Fridericianum neben vielen raffinierten Installationen auch echte Physik betrachten – Quantenoptik vom Feinsten.

Mit Lasern, Spiegeln und Prismen werden hier einzelne Lichtteilchen manipuliert und in Zustände versetzt, die dem Alltagsverstand gespenstisch vorkommen. Was selbst Albert Einstein als „spukhafte Fernwirkung” erschien, ist für Quantenphysiker wie Anton Zeilinger längst Alltagsgeschäft. Der zuweilen scherzhaft „Mr. Beam” genannte Pionier der neuen Quantenexperimentierkunst kann inzwischen Quantenzustände kilometerweit und scheinbar überlichtschnell von einem Photon auf ein anderes „beamen” – ein Trick der Natur, der viel erstaunlicher ist als alles, was sich selbst die kreativsten Künstler ausdenken, auch wenn findige Science-Fiction-Autoren das „Beamen” zuerst beschrieben haben. Hinter diese Geheimnisse von Licht und Materie zu schauen ist jedenfalls auch eine Kunst – und es war ein weiter Weg dorthin.

Vor über 100 Jahren galt die Physik fast als abgeschlossen. So hielt der britische Physiker William Thomson alias Lord Kelvin am 27. April 1900 einen Vortrag an der renommierten Royal Institution in London mit dem Titel „Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light”. Er lobte darin „die Schönheit und Klarheit” der damaligen Physik, sah aber zwei Wölkchen bei der Beschreibung von Licht und Wärme aufziehen. Doch das trübte für ihn nicht die Auffassung, dass die Physik im Wesentlichen komplett sei und dass die beiden Probleme, die mit der Natur der elektromagnetischen Strahlung zusammenhingen, rasch zu lösen seien.

VOM PHYSIK-STUDIUM ABGERATEN

Ähnlich zuversichtlich war schon 1874 Philipp von Jolly. Als sich ein aufgeweckter Schüler bei ihm nach den Aussichten eines Physik-Studiums erkundigte, antwortete der Münchner Professor, dass „in dieser Wissenschaft fast alles erforscht sei, und es gelte, nur noch einige unbedeutende Lücken zu schließen”. So erinnerte sich Max Planck später, der sich von der Warnung nicht hatte abschrecken lassen.

Tatsächlich entwickelten sich die beiden „Wolken”, von denen Thomson gesprochen hatte, zu gewaltigen Gewitterstürmen, die die Physik innerhalb weniger Jahre durcheinander wirbelten. Die eine „ Wolke”, das Scheitern des Nachweises eines Lichtäthers beziehungsweise einer Richtungsabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit, brachte die Spezielle Relativitätstheorie mit sich, mit der Albert Einstein die klassische Vorstellung von Raum, Zeit, Materie und Energie umstürzte (bild der wissenschaft 1/2011, „Die Relativitätstheorie”). Die andere „Wolke”, eine Schwierigkeit bei der Erklärung strahlender Körper, entlud sich schon wenige Monate nach Thomsons Vortrag und führte, angestoßen von Max Planck, zur Entwicklung der Quantentheorie. Sie bedeutete eine Revolution, wie sie sich nur selten in der Geschichte der Wissenschaft ereignet. „Dieser Einbruch hat in gewissem Sinne alles umgeworfen, was auf den Grundmauern errichtet war, die im 17. Jahrhundert … gelegt worden waren. Ja, die Grundmauern selbst beben”, schrieb Erwin Schrödinger im Rückblick 1955. Er war einer der Revolutionäre – wider Willen übrigens, wie auch Max Planck.

Doch die Quantentheorie bedeutete nicht nur eine Umwälzung des Naturverständnisses. An ihr zeigt sich auch, welche ökonomische Kraft aus reiner Grundlagenforschung erwachsen kann, wenn man sie ungestört gedeihen lässt. Schätzungsweise 30 Prozent des Bruttoinlandsprodukts der USA werden inzwischen mit Erfindungen erwirtschaftet, die auf Quantenphysik basieren.

Ohne sie wäre die moderne Halbleiter-Technologie mit Transistoren und Dioden nicht möglich. Es gäbe keine Computer, keine Laser, keine Elektronenmikroskope und keine supraleitenden Magnete. Die Medizin müsste ohne die Erkenntnisse der Kernspinresonanz- Tomografie auskommen. Präzise Atomuhren, eine Voraussetzung für die Satellitennavigation, wären reine Fantasie. In den Flash-Speichern moderner USB-Sticks – Massenware für jedermann – findet der Quantentunnel-Effekt Verwendung, wie auch in manchen Lichtschaltern. Und vielleicht werden schon im nächsten Jahrzehnt Quantencomputer Rechnungen ausführen, für die selbst die besten Supercomputer heute länger laufen müssten, als unser Universum besteht.

Keine Chemie ohne Quantentheorie

Auch andere Wissenschaftsbereiche wären ohne die Quantentheorie ziemlich hilflos, die Festkörperphysik beispielsweise. Die Kernphysik gäbe es überhaupt nicht. Und die Prozesse chemischer Reaktionen könnten ebenfalls nicht erklärt werden – denn letztlich steckt die Physik der Elektronenhüllen dahinter. „Ohne Quantenmechanik sind chemische Phänomene nicht zu verstehen”, bringt es Hans Primas auf den Punkt, langjähriger Professor für Physikalische Chemie an der ETH Zürich.

Die weltweiten Forschungsanstrengungen in der Quantenphysik – besonders auf dem noch jungen, in den letzten Jahren aber geradezu explodierenden Gebiet der Quanteninformation – sind unübersichtlich und in ihrer Komplexität für Laien kaum zu verstehen. Deshalb tritt bild der wissenschaft in dieser Ausgabe einmal einen Schritt zurück, um aus einer größeren Distanz einen Blick zu werfen auf die Grundlagen der Quantenphysik, über deren neue Erkenntnisse wir immer wieder berichten. Und tatsächlich sind manche Fragestellungen der Pionierzeit heute noch genauso aktuell und brennend diffizil wie damals. ■

von Rüdiger Vaas