Quanten, Quarks & Co

Nobelpreisträger Theodor W. Hänsch ist Ihr Lotse durch die moderne Physik.

Photoeffekt

Manchmal verhält sich das Licht, als bestünde es aus vielen winzigen Gewehrkugeln. Beschießt man damit die Oberfläche eines Metalls, schlagen die „Licht-Projektile” – die Photonen – dort Elektronen heraus. Eine Erklärung für diesen Photoeffekt fand Albert Einstein und wurde dafür 1921 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet (Frage 1). Die Photonen müssen jedoch eine bestimmte Energie besitzen, um Elektronen herauslösen zu können – im klassischen Bild braucht das Licht eine Mindestfrequenz. Erhöht man die Intensität des Lichts, steigt proportional dazu die Zahl der befreiten Elektronen. In Halbleitern tritt ein ähnlicher Effekt auf, den die Physiker als inneren Photoeffekt bezeichnen: Dabei entkommen die Elektronen nicht aus dem Material, sondern werden in einen Zustand versetzt, in dem sie frei beweglich sind – ein elektrischer Strom kann fließen. Damit arbeiten beispielsweise Solarzellen.

Photonen Die Photonen sind die Elementarteilchen des Lichts. Sie sind – wie die Elektronen – punktförmig, also unendlich klein, sie besitzen keine Ruhemasse und bewegen sich stets mit Lichtgeschwindigkeit. Anders als Elektronen tragen sie keine elektrische Ladung. Photonen zählen zu den Partikeln, die Kräfte zwischen anderen Teilchen übertragen – bei den Photonen die elektromagnetische Kraft.

Welle-Teilchen-Dualismus Das Licht lässt sich nicht festlegen. Manchmal verhält es sich wie ein Strahl aus Photonen. Aber Beugung und Interferenz kann man nur verstehen, wenn man das Licht als Welle betrachtet. Ein solches Doppelleben, das die Physiker als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnen, führt nicht nur das Licht – man findet es auch bei Elektronen oder Protonen. Letztlich lässt sich in der Quantenwelt jeder Stoff als Welle deuten – die Physiker sagen: als Materiewellen.

Wellenfunktion

Welche Eigenschaften ein Teilchen hat und wie sich sein Zustand mit der Zeit verändert, steckt als Information in der Wellenfunktion. Das mathematische Quadrat dieser Funktion liefert die Aufenthaltswahrscheinlichkeit – und damit eine Aussage darüber, wo sich das Teilchen befindet. Präzise lässt sich sein Ort allerdings nicht lokalisieren – das verhindert die Unschärferelation.

Schrödinger-Gleichung Von dem österreichischen Physiker Erwin Schrödinger stammt eine zentrale Gleichung der Quantenmechanik. Sie beschreibt, wie sich der Zustand eines Quantensystems – etwa eines Atoms – unter bestimmten Bedingungen verändert (Frage 2):

Unschärferelation In der Quantenwelt scheint vieles, was man aus dem Alltag kennt, zu verschwimmen. Das zeigt die von Werner Heisenberg formulierte Unschärferelation. Demnach ist es nicht möglich, Ort und Geschwindigkeit eines Teilchens gleichzeitig genau zu messen. Je genauer man seinen Ort bestimmt, desto weniger weiß man über seine Geschwindigkeit und umgekehrt. Das Gleiche gilt bei physikalischen Vorgängen für Energie und Zeit.

Nullpunktenergie

In einem Quantensystem kann die Energie nie Null werden – eine Konsequenz aus der Unschärferelation. Die niedrigste mögliche Energie nennen die Physiker Nullpunktenergie.

Atom Das moderne Bild von den Atomen hat nur wenig Ähnlichkeit mit dem einfachen Modell umeinander kreisender Teilchen, wie es früher gelehrt wurde. Heute favorisieren die Physiker das Orbitalmodell: Statt sich auf festen Bahnen zu bewegen, füllen die Elektronen in der Atomhülle geometrisch geformte Raumbereiche – die Orbitale, die den im Vergleich dazu winzigen Atomkern aus Protonen und Neutronen umgeben. Wo genau sich ein Elektron in einem Orbital aufhält, lässt sich nicht sagen – das verhindert die Unschärferelation.

Quantenpunkt

Ein Quantenpunkt ist ein nanotechnologisches Gebilde, das meist einige Tausend Atome umfasst. Es ist damit so klein, dass die Elektronen darin ähnliche Eigenschaften zeigen wie in einem Atom. Daher lassen sich Quantenpunkte als künstliche Atome ansehen, deren Merkmale man durch Variieren von Größe, Gestalt und Material gezielt verändern und nach Maß einstellen kann.

Verschränkung In der Quantenphysik kann man zwei Teilchen so miteinander verbinden, dass sie sich nicht mehr als unabhängige Partikel betrachten lassen. Ihr Zustand wird durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben. Diese quantenmechanische Verschränkung kann über beliebig weite Distanzen bestehen. Eine Messung der Eigenschaften eines der beiden Teilchen bestimmt ohne Zeitverzögerung auch die Eigenschaften des Partners. Albert Einstein sprach von spukhafter Fernwirkung.

Spin Viele Teilchen verhalten sich, vereinfacht gesagt, wie Kreisel: Sie rotieren scheinbar um ihre eigene Achse. Das verleiht ihnen eine Art Drehimpuls. Die quantenmechanische Realität ist allerdings komplizierter: Der Spin ist eine feste Eigenschaft der Partikel – und hat je nach Teilchen einen ganz- oder halbzahligen Wert. Photonen etwa haben den Spin 1, Elektronen und Protonen den Spin ½. Der Spin ist mit einem magnetischen Moment verbunden, das bestimmt, wie sich das Teilchen in einem Magnetfeld ausrichtet (Frage 5). Diese Orientierung ist quantisiert: Sie kann nur bestimmte Werte annehmen. Die Methode der Spinresonanz – etwa in Kernspintomographen – nutzt Übergänge zwischen verschiedenen Spin-Orientierungen, um Informationen über Materialien oder Körpergewebe zu gewinnen.

Bosonen und Fermionen Partikel mit einem ganzzahligen Spin haben andere Eigenschaften als solche, die einen halbzahligen Spin besitzen. Die Physiker unterscheiden deshalb zwischen Bosonen (Spin 0, 1, 2, …) und Fermionen (Spin ½, …).

Tunneleffekt

Im Alltag wäre es undenkbar, dass eine Kugel, die in einer tiefen Schale liegt, durch die Wand des Gefäßes entkommt. In der Quantenwelt aber ist eine solche „Zauberei” möglich – zum Beispiel bei Elektronen oder Alpha-Teilchen: Ihnen gelingt es gelegentlich, die Energiebarriere um einen Atomkern zu überwinden. Sie tunneln einfach hindurch und verlassen den Kern. Die Folge ist ein radioaktiver Zerfall, bei dem die Partikel als Alpha-Strahlung abgegeben werden. Technisch wird der Tunneleffekt zum Beispiel beim Abtasten von Oberflächen mit der feinen Nadel eines Rastertunnelmikroskops oder beim Lesen von Daten auf einer Festplatte genutzt.

Die vier Grundkräfte

Sämtliche Wechselwirkungen in Universum, Natur und Technik lassen sich auf vier Grundkräfte zurückführen: die starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkung sowie die Gravitation. Die starke Kraft bindet die Bestandteile von Atomkernen aneinander, die schwache Wechselwirkung steuert manche radioaktiven Zerfälle. Die elektromagnetische Kraft steckt hinter elektrischen und magnetischen Phänomenen, hält Atome zusammen und sorgt für Licht. Die Gravitation lässt Massen einander anziehen.

Weltformel

Eine Weltformel oder „Theorie für alles” soll sämtliche Phänomene der Physik erklären – idealerweise mithilfe einer einzigen Formel. Sie zu finden, ist das Ziel vieler Theoretischer Physiker. Im Wesentlichen läuft die Suche nach der Weltformel darauf hinaus, alle vier Grundkräfte der Natur unter einen Hut zu bringen. Kandidaten dafür sind die Stringtheorie und die Loop-Quantengravitation (Frage 18), die aber noch Schwächen haben und bislang nicht als Weltformel taugen.

Supersymmetrie

Die Supersymmetrie ordnet fermionischen Elementarteilchen bosonische Partnerteilchen zu und umgekehrt. Allerdings: Bisher konnten die Physiker noch keine einziges solches supersymmetrisches Teilchen ausfindig machen.

Antimaterie Zu jedem Partikel gibt es ein Antiteilchen, das die entgegengesetzte elektrische Ladung, sonst aber identische Eigenschaften hat – zum Beispiel das Positron als Antiteilchen des Elektrons. Antiteilchen, die etwa in radioaktiven Atomkernen oder bei Kernreaktionen in Teilchenbeschleunigern entstehen, existieren meist nur für sehr kurze Zeit. Beim Kontakt mit ihrem Gegenstück zerstrahlen beide Teilchen, und Energie wird frei. Stoffe, die aus Antiteilchen bestehen, heißen Antimaterie. 1995 gelang es Forschern am CERN zum ersten Mal, Anti-Wasserstoffatome herzustellen. Rätselhaft ist, warum sich im Weltall nirgendwo Anti-Atome nachweisen lassen.

Quarks Protonen und Neutronen sind, anders als Elektronen, keine elementaren Teilchen. Sie bestehen jeweils aus drei anderen Partikeln: den Quarks. Davon kennen die Physiker sechs verschiedene Arten, die sie als „Up”, „Down”, „Charm”, „Strange”, „Bottom” und „Top” bezeichnen. Das Top-Quark ist das schwerste – es wiegt etwa so viel wie ein Gold-Atom (Frage 15). Zwei Up-Quarks und ein Down-Quark bilden ein Proton, in einem Neutron ist das Verhältnis zwischen Up- und Down-Quarks genau umgekehrt (Frage 8). Eine Besonderheit der Quarks: Sie lassen sich nicht einzeln beobachten, sondern treten stets in einer Kombination von zwei oder mehr Quarks auf.

Farbladung

Ein Merkmal der Quarks ist die Farbladung – eine quantenphysikalische Eigenschaft, die mit normalen Farben nichts zu tun hat. Die Physiker unterscheiden zwischen blauen, roten und grünen Quarks. Die Antiteilchen der Quarks haben eine antiblaue, antirote oder antigrüne Farbladung.

Absoluter Nullpunkt

Wärme ist ein Maß für die Bewegungsenergie von Atomen und Molekülen in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen. Erreicht sie beim Abkühlen das quantenphysikalische Limit, die Nullpunktenergie, so ist sie am Absoluten Nullpunkt angelangt. Kälter kann es nicht werden. Der britische Physiker William Thomson (alias Lord Kelvin) führte 1848 die Absolute Temperaturskala ein, die mit dem Absoluten Nullpunkt bei 0 Kelvin beginnt. Er entspricht minus 273,15 Grad auf der Celsius-Skala. Die Grad-Abstände auf der Kelvin- und der Celsius-Skala sind gleich. Mithilfe aufwendiger Kühlverfahren schaffen es Forscher, Substanzen bis auf weniger als ein Milliardstel Kelvin abzukühlen.

Bose-Einstein-Kondensat

Ein Bose-Einstein-Kondensat ist eine exotische Materieform, bei der sich viele gleichartige Teilchen im selben quantenmechanischen Zustand befinden. Sie verschmelzen quasi zu einem einzigen übergroßen Atom, in dem die Teilchen ihren individuellen Charakter verlieren. Möglich ist das im Prinzip nur bei Bosonen. Unter bestimmten Voraussetzungen lässt sich ein ähnlicher Zustand allerdings auch mit Fermionen schaffen.

Atomlaser

Wie ein normaler Laser Lichtwellen aussendet, die kohärent sind, emittiert ein Atomlaser einen kohärenten Teilchenstrahl, der aus Atomen besteht (Frage 7). Als Quelle der Atome dient ein Bose-Einstein-Kondensat.

Supraleiter

Manche Werkstoffe verlieren unterhalb einer sogenannten Sprungtemperatur vollständig ihren elektrischen Widerstand, sodass ein Strom darin ohne jeglichen Verlust fließen kann. Bei den meisten Materialien liegt die Sprungtemperatur nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt. Eine Ausnahme bilden Hochtemperatursupraleiter, meist kupferhaltige Keramiken. Sie sind seit den 1980er-Jahren bekannt. 2006 stießen japanische Physiker auch auf eisenhaltige Verbindungen, die bei relativ hohen Temperaturen supraleitend werden. Die höchste bislang bekannte Sprungtemperatur eines Supraleiters beträgt minus 138 Grad Celsius (Frage 6). Supraleitende Stoffe transportieren nicht nur Strom widerstandslos, sie verdrängen auch Magnetfelder aus ihrem Inneren. Dieser Effekt steckt hinter Demonstrationen, bei denen Werkstücke zum Schweben gebracht werden.

Laser

Das Licht eines Lasers unterscheidet sich von gewöhnlichem Licht vor allem durch die Kohärenz: Laserwellen können sich durch Interferenz gegenseitig verstärken oder auslöschen. Laserlicht lässt sich als gebündelter Strahl aussenden und auf einen winzigen Brennfleck fokussieren. Außerdem kann Laserlicht monochromatisch sein, also nur einen einzige Farbe enthalten. Voraussetzung für das Erzeugen von Laserlicht ist eine Besetzungsinversion in dem Lasermedium (etwa einem Kristall oder Farbstoff – Frage 3). Das heißt, es befinden sich mehr Elektronen in einem energetisch angeregten Zustand als im Grundzustand. Das lässt sich durch optisches oder elektrisches „Pumpen” erreichen. Durch stimulierte Emission (das Lasermedium wird durch Photonen passender Energie quasi gekitzelt) fallen die Elektronen zurück in den Grundzustand – es wird Energie frei und als Laserlicht ausgesandt.

Ultrakurze Laserpulse Bei manchen Lasern lässt sich das Licht in extrem kurze und sehr energiereiche Pulse portionieren. Sie eignen sich gut zu einer hochpräzisen Bearbeitung von Werkstoffen sowie zum Untersuchen sehr schneller Vorgänge in Atomen oder Molekülen. Heute gelingt es, Pulse zu erzeugen, die für weniger als eine Femtosekunde (10–15 Sekunde) aufblitzen.

Frequenzkamm

Lichtwellen schwingen mit einer sehr hohen Frequenz von einigen 10–15 Hertz, das heißt mehrere Millionen Milliarden Mal pro Sekunde. So hohe Frequenzen exakt zu messen, stellt extreme Anforderungen an die Messtechnik. Gelingen kann das mithilfe eines Frequenzkamms. Der lässt sich mit ultrakurzen Laserpulsen erzeugen. Deren Licht hat ein sehr breites Spektrum, das sich in zahlreiche feine Linien mit exakt bekanntem Abstand zerteilen lässt – den Frequenzkamm. Die scharfen Linien können als optisches Lineal dienen, um die Frequenz anderer Lichtquellen genau zu vermessen. Und sie eignen sich zum Bau von hochpräzisen optischen Atomuhren.

Energie

Die Energie ist eine physikalische Erhaltungsgröße. Das heißt: In einem abgeschlossenen System bleibt ihre Gesamtmenge konstant. Allerdings kann die Energie in verschiedenen Formen auftreten – etwa als mechanische, elektrische, chemische, potenzielle oder thermische Energie – und zwischen ihnen wechseln. Energie lässt sich nutzen, um Arbeit zu verrichten, etwa zum Beschleunigen eines Fahrzeugs oder zum Heben einer Last, um Gegenstände zu erwärmen oder um elektrische Geräte zu betreiben. Laut dem Äquivalenzprinzip besitzen außerdem alle massiven Körper eine Ruheenergie, die nur von ihrer Masse abhängt.

Leistung

Als Leistung ist die Energiemenge definiert, die in einer bestimmten Zeit verbraucht oder produziert wird, zum Beispiel von einem Motor oder in einem Kraftwerk. Ein wichtiger Begriff in der Kraftwerkstechnik ist die installierte Leistung: Sie gibt an, welche Leistung etwa ein Windrad oder ein Solarzellen-Modul maximal liefern kann. Sie wird aber nur unter optimalen Bedingungen erreicht: bei Starkwind oder in der Mittagssonne.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Leistung. Er zeigt an, welcher Energieanteil bei einer Umwandlung in die gewünschte Energieart umgesetzt wird – etwa von chemischer in mechanische Energie in einem Motor – und wie viel als Wärme verloren geht.

Standardmodell Im Standardmodell sind alle bekannten Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte zusammengefasst – und zwar in einer strengen Ordnung und Symmetrie: Es gibt drei Generationen von Materieteilchen, zu denen je vier Elementarpartikel gehören: zwei Quarks und zwei sogenannte Leptonen. Leptonen sind Elektronen, Myonen und Tauonen sowie drei verschiedene Neutrinos (Frage 13). Die Grundkräfte sind in dem Modell durch die Teilchen repräsentiert, die diese Wechselwirkungen übertragen: Photon (elektromagnetische Kraft), Gluon (starke Kraft, Frage 4) sowie W- und Z-Bosonen (schwache Kraft). Die Gravitation passt nicht ins Standardmodell.

Neutrinos Neutrinos werden auch als „Geisterteilchen” bezeichnet (Frage 19), denn sie können Materie fast ungehindert durchdringen. Und sie tun das auch in großer Zahl: Das Weltall ist voll von Neutrinos, die Erde und menschliche Körper passieren, ohne Spuren zu hinterlassen. Sie entstehen beispielsweise beim radioaktiven Beta-Zerfall. Eine Frage, die lange Zeit die Physiker bewegte, war: Hat ein Neutrino eine Masse? Verschiedene Experimente deuten darauf hin, dass sie eine sehr kleine Masse besitzen. Neue Experimente, etwa mit dem riesigen Spektrometer KATRIN am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), sollen die Frage nach der Masse der Neutrinos, von denen drei Arten existieren, mit hoher Präzision beantworten (Frage 17).

Higgs-Teilchen

Der britische Physiker Peter Higgs führte 1964 ein hypothetisches Teilchen ins Standardmodell ein, um zu erklären, weshalb die anderen Partikel überhaupt eine Masse besitzen. Das nach ihm benannte Higgs-Teilchen (oder Higgs-Boson) soll Masse über einen komplizierten Mechanismus verleihen (Frage 11). Es erstmals experimentell nachzuweisen, ist eines der wichtigsten Ziele des 2008 in Betrieb genommenen europäischen Teilchenbeschleunigers LHC am CERN in Genf.

Relativitätstheorie

Im Abstand von zehn Jahren veröffentlichte Albert Einstein zwei Theorien, die das Weltbild der Physik revolutioniert haben. 1905 schuf er die Spezielle Relativitätstheorie, in der die drei Raumdimensionen mit der Zeit zu einer vierdimensionalen Raumzeit verschmelzen. Einstein nahm die Lichtgeschwindigkeit als eine konstante Größe an, die von allen Beobachtern gleich wahrgenommen wird – unabhängig von ihrer Bewegung relativ zueinander. Daraus folgt unter anderem, dass die Distanz und die Zeitdauer unterschiedlich sein können, je nachdem, von welchem System aus man sie betrachtet. Mit der 1915 publizierten Allgemeinen Relativitätstheorie erklärte der Physiker die Gravitation als eine Eigenschaft der geometrischen Struktur der Raumzeit. Diese wiederum soll von den Massen der in ihr enthaltenen Körper wie Planeten, Sterne und Galaxien beeinflusst und deformiert werden.

Masse und Energie

Laut Albert Einstein sind Masse und Ruheenergie äquivalent. Die Gleichung dafür ist vielleicht die berühmteste Formel der gesamten Physik:

Sie besagt: Die Ruheenergie eines Teilchens oder größeren Körpers lässt sich in Masse verwandeln – und umgekehrt. Das nutzt man etwa zur Spaltung schwerer Atomkerne in Kernkraftwerken: Die daraus hervorgehenden Kerne haben zusammen weniger Masse als der ursprüngliche Kern – der Rest wird als Energie freigesetzt. Der umgekehrte Prozess läuft in der Sonne sowie in Kernfusionsreaktoren ab: Leichte Wasserstoff-Atomkerne verschmelzen zu schwereren Helium-Kernen. Auch bei dieser Kernumwandlung geht Masse verloren, aus der Energie entsteht.

Die wichtigsten Konstanten der Physik Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c: 299792458 m/s2 (laut Relativitätstheorie universell)

Elementarladung e: 1,602176487 ∙ 10–19 C (kleinste mögliche Ladungsportion)

Gravitationskonstante G: 6,67428 ∙ 10–11 m3/kgs2 (verknüpft Masse mit Schwerkraft)

Avogadro-Konstante NA: 6,02214179 ∙ 1023 mol–1 (gibt die Zahl der Atome oder Moleküle in einer bestimmten Stoffmenge an)

Plancksches Wirkungsquantum h: 6,62606896 ∙ 10–34 Js (verknüpft Teilchen- und Welleneigenschaften, zentrale Größe der Quantenmechanik)

Feinstrukturkonstante α: 7,2973525376∙ 10–3 oder 1/137,036 (bestimmt die Stärke der elektromagnetischen Kraft – Frage 12)

magnetische Feldkonstante μ0: 4p ∙ 10–7 VsA–1m–1 (Beschreibung magnetischer Phänomene)

Boltzmann-Konstante kB: 1,3806504 ∙ 10–23 JK –1

(Grundkonstante der statistischen Physik)