Kurz gesagt, ist es die Physik, die erklärt, wie alles funktioniert. Mithilfe der Quantenphysik können wir die Natur der Teilchen, aus denen die Materie besteht, und die Kräfte, mit denen sie interagieren, am besten beschreiben.
Die Quantenphysik ist die Grundlage dafür, wie Atome funktionieren und warum Chemie und Biologie so funktionieren, wie sie funktionieren. Wenn man erklären möchten, wie sich Elektronen in Computerchips bewegen, wie Photonen in einem Solarpanel in Elektrizität umgewandelt oder in Lasern verstärkt werden, muss die Quantenphysik angewendet werden. Auch bei einfachen Sachverhalten, wie beispielsweise der Frage, weshalb die Sonne weiterbrennt, muss die Quantenphysik zu Erklärung herangezogen werden.
An diesem Punkt beginnen jedoch bereits die ersten Schwierigkeiten, denn zunächst einmal gibt es keine einheitliche Quantentheorie. Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und andere entwickelten in den 1920er Jahren die Quantenmechanik, die das grundlegende mathematische Gerüst darstellt, auf dem alles basiert. Es beschreibt einfache Dinge wie beispielsweise den Sachverhalt wie sich Position oder Impuls eines einzelnen Teilchens oder einer Gruppe von wenigen Teilchen im Laufe der Zeit ändert. Um jedoch zu verstehen, wie die Dinge in der realen Welt funktionieren, muss die Quantenmechanik mit anderen Elementen der Physik kombiniert werden. Die bekannteste ist Albert Einsteins Relativitätstheorie. Diese erklärt, wie sich bestimmte Dinge verhalten, wenn sich diese sehr schnell bewegen. Außerdem diente diese zugleich als Grundlage bei der Erstellung der so genannten Quantenfeldtheorie.
Drei verschiedene Quantenfeldtheorien befassen sich mit drei der vier fundamentalen Kräfte, durch welche Materie interagiert. Während Elektromagnetismus erklärt, wie Atome zusammengehalten werden, erklärt die starke Kernkraft die Stabilität des Kerns im Herzen eines Atoms. Die schwache Kernkraft bzw. schwache Wechselwirkung hingegen erklärt, weshalb einige Atome einen radioaktiven Zerfall erfahren.
In den letzten fünfzig Jahren wurden diese drei Theorien als Standardmodell der Teilchenphysik in einer zerfallenden Allianz bezeichnet. Obwohl der Eindruck besteht, dass dieses Modell ein wenig mit Klebeband zusammengehalten wird, ist es das am genauesten getestete Bild der grundlegenden Funktionsweise von Materie, das je entwickelt wurde. Seinen krönenden Abschluss fand es 2012 mit der Entdeckung des Higgs-Bosons bzw. Higgs-Teilchens. Die Existenz dieses Teilchens, das allen anderen Elementarteilchen ihre Masse verleiht, wurde bereits 1964 auf der Grundlage von Quantenfeldtheorien vorhergesagt.
Herkömmliche Quantenfeldtheorien funktionieren gut, wenn es darum geht, die Ergebnisse von Experimenten an Hochenergie-Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider am europäischen Kernforschungszentrum CERN zu beschreiben, wo das Higgs entdeckt wurde, und die Materie in ihren kleinsten Maßstäben untersucht werden. Aber wenn man verstehen will, wie die Dinge in vielen weniger esoterischen Situationen funktionieren, werden die Dinge meist noch komplexer. Hierzu zählt beispielsweise die Betrachtung, ob und wie sich Elektronen durch ein festes Material bewegen und ob so ein Material zu einem Metall, einem Isolator oder einem Halbleiter wird.
Die zahlreichen Wechselwirkungen in diesen überfüllten Umgebungen erfordern die Entwicklung von effektiven Feldtheorien. Die Schwierigkeit, solche Theorien zu konstruieren, ist der Grund, warum viele wichtige Fragen in der Festkörperphysik ungelöst bleiben. Hierzu zählt beispielsweise die Frage, warum einige Materialien bei tiefen Temperaturen Supraleiter sind und Strom ohne elektrischen Widerstand zulassen. Oder auch die Frage, weshalb dieser Trick bei Raumtemperatur nicht möglich ist.
Doch hinter all diesen praktischen Problemen verbirgt sich ein riesiges Quantenmysterium. Auf einer grundlegenden Ebene sagt die Quantenphysik sehr seltsame Dinge darüber voraus, wie Materie funktioniert. Zudem stehen diese im völligen Widerspruch dazu, wie die Dinge in der realen Welt zu funktionieren scheinen. Quantenteilchen können sich wie Teilchen verhalten, die sich an einem einzigen Ort befinden. Sie können sich aber auch wie Wellen verhalten, die über den ganzen Raum oder an mehreren Orten gleichzeitig verteilt sind. Wie sie erscheinen, scheint davon abzuhängen, wie wir sie messen wollen. Außerdem scheinen Quantenteilchen keine eindeutigen Eigenschaften vor einer Messung zu besitzen, was wiederum zu einem fundamentalen Rätsel über die Natur der grundlegenden Realität führt.
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Diese Unschärfe führt zu scheinbaren Paradoxien wie Schrödingers Katze, bei der dank eines unsicheren Quantenprozesses eine Katze gleichzeitig tot und lebendig ist. Aber das ist noch nicht alles. Quantenteilchen scheinen auch in der Lage zu sein, sich gegenseitig augenblicklich zu beeinflussen, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Dieses wahrhaft verblüffende Phänomen ist als Verschränkung bekannt, oder, in einem von Einstein geprägten Ausdruck, als spukhafte Wirkung auf Distanz. Solche Quantenkräfte sind uns völlig fremd, bilden aber die Grundlage für aufstrebende Technologien wie beispielsweise die ultrasichere Quantenkryptografie und das ultraleistungsfähige Quanten-Computing.
Aber was das alles bedeutet, weiß niemand. Einige Leute denken, dass wir einfach akzeptieren müssen, dass die Quantenphysik die materielle Welt in Begriffen erklärt, die wir unmöglich mit unserer Erfahrung in der klassischen Welt in Einklang bringen können. Andere denken, dass es da draußen eine bessere Theorie geben muss, die wir noch nicht entdeckt haben. Außerdem gibt es eine vierte fundamentale Kraft der Natur, die die Quantentheorie bisher nicht erklären konnte. Diese Kraft ist die Gravitation. Die Gravitation bleibt das Gebiet von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, einer dezidierten Nicht-Quanten-Theorie, die nicht einmal Teilchen einbezieht. Intensive Bemühungen über Jahrzehnte, die Gravitation unter das Dach der Quantentheorie zu bringen und so die gesamte fundamentale Physik innerhalb einer allgemeinen Theorie zu erklären, sind gescheitert.
Inzwischen zeigen kosmologische Messungen, dass über 95 Prozent des Universums aus dunkler Materie und dunkler Energie bestehen. Diese Dinge, für die wir derzeit keine Erklärung innerhalb des Standardmodells haben sowie Rätsel wie das Ausmaß der Rolle der Quantenphysik in den chaotischen Abläufen des Lebens, bleiben unerklärt. Die Welt ist auf irgendeiner Ebene quantenhaft. Aber ob die Quantenphysik das letzte Wort über die Welt ist, bleibt eine offene Frage.
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