Das neue Weltbild der Quantenphysik – ein Essay


Keine Ablöse, sondern Weiterführung und Ergänzung unseres „Schulzeit-Lehrstoffes“

 
Von Karl Sumereder

Durch die Quantenphysik bildete sich seit dem Anfang des 20. Jahrhunderts auf experimenteller Basis ein grundlegend neues Theoriegebäude heraus. Unser Weltbild wurde nicht nur physikalisch, sondern auch philosophisch tief greifend verändert. Dazu kam, dass vermittels der Quantenphysik in ihren praktischen Anwendungen eine neue, unser Kommunikations- und Gesundheitssystem und auch die ökonomischen Strukturen verändernde Technologie begründet wurde. Die Quantenphysik gilt für eine Vielheit von uns aber als rätselhaft, geradezu als paradox. Sie steht im Widerspruch zu vielem, was in unserem Alltagsverständnis, unserem Wirklichkeitserleben, ohne Zweifel festzustehen scheint. Die Quantenphysik zwingt aber auf der Basis von vielen bereits erreichten Anwendungen, von vertrauten Gewissheiten Abschied zu nehmen. Anhand dieses kurzen Essays sollen einige der neuen Erkenntnisse veranschaulicht werden. 

Die Quantenphysik löst die klassische Physik, die uns seit der Schulzeit bekannt ist, keineswegs ab. Sie führt aber weiter und ergänzt sie. Für die annähernde Beschreibung der materiellen Wirklichkeit ist die klassische Physik zuständig. Für die Beschreibung der tiefsten Strukturen der Materie, wo die deterministische Beschreibung nicht ausreicht, ist die Quantenbeschreibung vonnöten. 

Die Begründer der Quantentheorie 

Quantentheorie ist der Oberbegriff aller physikalischen Theorien, die sich mit der so genannten Quantelung beschäftigen. Quantelung ist die Eigenschaft, dass ganz verschiedene physikalische Größen wie Energie, Drehimpuls, Ladung ein Vielfaches eines kleinsten, diskreten Betrages sind, dem Quant. Begründet wurde die Quantentheorie vom Physiker und Nobelpreisträger Max Planck (1858–1947). Weitere große Physiker und Nobelpreisträger zählen zu den Pionieren der Quantenphysik. So besonders Albert Einstein (1879–1955), Werner Heisenberg (1901–1976), Erwin Schrödinger (1887–1961), Niels Bohr (1885–1962), Max Born (1882–1970), Richard Feynman (1918–1988) und Paul Dirac (1902–1984).

Die Quantenphysik führt uns an die Grenzen unseres Verstandes. Das, was sie über die ganze Welt aussagt, unterscheidet sich nämlich völlig von dem, was wir sehen und fühlen. Es führt vielfach zu Schwierigkeiten, wenn man versucht, die quantenphysikalischen Aussagen sich unserem gesunden Alltagsverstand vor Augen zu führen. Zu den wichtigsten Eigenheiten oder Eigenschaften der Quantenphysik zählen der objektive, nicht weiter hinterfrag- oder ergründbare Zufall, die Komplementarität (Überlagerung) und die quantenmechanische Verschränkung. 

Die Anfänge

Bereits der Physiker Isaac Newton (1642–1727) hatte angenommen, dass Licht aus Teilchen, aus allerwinzigsten Korpuskeln, bestehe. Im Kontrast dazu hatte der Physiker James Clerk Maxwell (1831–1879) in der von ihm begründeten Elektrodynamik das Licht als elektrodynamische Welle aufgefasst, und dies auch experimentell belegt. 

Max Planck ist von der bis dorthin gängigen Theorie abgegangen, wonach das Licht aus Wellen besteht. Er hat in seiner Quantenhypothese angenommen, dass Licht nicht als Welle emittiert wird, sondern in nicht teilbaren Stückchen, als Quanten oder als Photonen bezeichnet. Heute weiß man, dass das von Planck entwickelte Wirkungsquantum E = hf eine universelle Naturkonstante ist, mit einem festen Wert unabhängig von äußeren Umständen.

Es hat die gleiche Größe, sowohl auf der Erde als auch in fernen Galaxien, es ändert sich nicht mit der Zeit. Das Wirkungsquantum war vor vier Milliarden Jahren, dem Zeitraum der Entstehung der Erde, genauso wie heute. Eine andere Naturkonstante ist bekanntlich die Lichtgeschwindigkeit. 

Anton Zeilinger: „Einsteins Schleier, Die neue Welt der Quantenphysik“, Goldmann Verlag, 2005, erklärt uns, dass die berühmte Beziehung E = hf der mathematische Ausdruck dafür ist, dass die Energie (E) eines Lichtquants gleich ist dem Produkt aus dem Wirkungsquantum (h) und der Frequenz des Lichts. 

Warum die Tatsache, dass Licht aus unteilbaren Quanten besteht, nicht schon wesentlich früher bemerkt wurde, liegt daran, dass das Plancksche Wirkungsquantum extrem klein ist. 

Man kann dies laut Anton Zeilinger daran sehen, dass eine durchschnittliche Glühlampe pro Sekunde etwa 3 mal 10 hoch 20 = 300.000.000.000.000.000.000 Lichtquanten (Photonen) aussendet. 

Heute berechnen die Physikspezialisten, welches Licht von welcher Art von Atomen ausgesandt wird. Mit der Quantentheorie wird erklärt, wann Atome in der Form existieren, wie wir sie vor uns haben. Durch die Quantenphysik wurde es möglich, Vorgänge in Atomkernen, wie die Kernspaltung und die Kernfusion zu verstehen. Oder die Erzeugung von Energie in Sternen und die Phänomene bei der Entstehung des Universums zu begreifen. 

Die Fortschritte 

Albert Einstein hatte durch den photoelektrischen Effekt, für dessen Entdeckung er den Nobelpreis erhielt, dargestellt, dass das Licht aus kleinsten Teilchen, den Lichtquanten (Photonen) besteht. Heute gilt das von Werner Heisenberg erarbeitete Grundprinzip, dass Licht je nach Versuchsaufbau sich einmal als Teilchen und ein anderes Mal als Welle zeigt. Dieses Grundprinzip gilt in der Quantenphysik nicht nur für das Licht (Photonen), sondern für sämtliche Elementarteilchen der Materie. Auch die Protonen oder die Elektronen der Atome können als Teilchen oder als Wellen erscheinen. Es wird auch gezeigt, dass die Atome letztlich Energiekonzentrationen in einer größeren Struktur sind. 

Mit der Quantentheorie wird heute physikalisch verstanden, welche Arten von Atomen sich in welcher Anzahl zu Molekülverbänden verbinden und welche neuen Eigenschaften die daraus entstandenen Moleküle haben können. Die Quantenphysik ermöglicht es den Experten, für uns jedoch kaum oder überhaupt nicht verständlich, die chemischen Verbindungen der Moleküle, ihre Energie und andere ihrer neuen Eigenschaften zu begreifen.

Die Rolle der „Information“ in der Quantenphysik

Unter Information versteht man gemäß Anton Zeilinger in diesem Zusammenhang die Antworten auf die Fragen, die wir stellen. Während des ganzen Lebens sammeln wir als Beobachtungsergebnisse Informationen und reagieren darauf. Im Verlauf der Evolution wurden durch unsere Gehirne immer komplexere Mechanismen der Informationsverarbeitung entwickelt. Informationen, unsere Sinneseindrücke, sind also Antworten auf die Fragen, die wir Menschen stellen. 

Anton Zeilinger formuliert dies radikal, da es offenbar keinen Unterschied zwischen Information und Wirklichkeit gibt, indem er feststellt: „Information ist der Urstoff des Universums.“ 

Thomas und Brigitte Görnitz: „Die Evolution des Geistigen, Quantenphysik – Bewusstsein –Religion“ 2009, entwickelten das Prinzip einer abstrakten und bedeutungsfreien „Ur-Information“ als kosmischem Urstoff von Materie, Leben und Bewusstsein: eine ganzheitliche Verbundenheit mit allem Lebendigen und zum unbelebten Kosmos. 

Die wirtschaftliche Bedeutung 

Die Quantenphysik hat durch die Weiterentwicklung auch eine immer stärker gewachsene wirtschaftliche Bedeutung für unseren Alltag erlangt. Heute ist die Quantenphysik die Grundlage vieler Bereiche der Hochtechnologie. Ohne Quantenphysik hätten wir keine so genannten Halbleiter. Es sind dies Festkörper, die eine elektrische Leitfähigkeit besitzen, die zwischen der von Isolatoren, die elektrischen Strom praktisch nicht leiten, und der von Metallen liegt, die Strom sehr gut leiten. Halbleiter sind die zentralen Bestandteile aller modernen elektrischen Schaltungen. 

Wesentliche Anteile des Bruttosozialproduktes in den hoch entwickelten Industrieländern gehen auf die Anwendungen der Quantenphysik zurück: Computertechnologie, Lasertechnologie, Mobiltelefonie, Kernkraftwerke und Solarzellentechnologie. Im Bereich der Medizin die Kernspintomographie, Positron-Emissions-Spektroskopie, die Tumorbehandlungen mit ionisierenden Strahlen zu nennen, weiters die Elektronenmikroskopie, Neutronenspektroskopie und Rastertunnel-Mikroskopie. Supraleitung und Suprafluidität sind besonders spektakuläre Quantenphänomene.

Eine philosophische Zusammenschau von Materie und Geist durch die Quantenphysik

Die Erkenntnisse aus der Quantenphysik sind in ihrer physikalischen und philosophischen Tragweite, wie schon erwähnt, in weiten Kreisen noch unverstanden. Frido und Christine Mann: „Es werde Licht, Die Einheit von Geist und Materie in der Quantenphysik“, S. Fischer Verlag 2017, zeigen beeindruckend die Auflösung der Gegensätze zwischen „Idealismus“ und „Materialismus“, zwischen „Geist“ und „Materie“ auf. Die Zusammenschau von Materie und Geist durch die Quantenphysik eröffnet uns neue Einsichten. 

Die von der Quantenphysik wieder entdeckte enge Zusammengehörigkeit von Geist und Materie ist nicht neu. Bereits in den Hochkulturen der Antike und des Mittelalters wurde diese Ansicht von Philosophen vertreten. Mit der Quantenphysik im beginnenden Atomzeitalter erfolgte allerdings ein besonderer Paradigmenwechsel. 

Die ganzheitlichen Beziehungen der Möglichkeiten 

Bei der Unterscheidung zwischen Geist und Materie versteht man unter Geistigem das Denken, die Sprache, die Mathematik. Frido und Christine Mann erklären, dass jede Materie Geistiges in sich trägt. Das Geistige, das in jedem Atom mit transportiert wird, besteht in Struktur, in Regeln, in einer zentralen Ordnung, die auch Schwingung und Beziehung beinhaltet. Die Strukturen wurden in der Evolution immer komplexer. Wenn Strukturen etwas Geistiges sind, entfaltete sich das Geistige allmählich mit der Entstehung unserer Welt. Mit der Entstehung von Lebendigem kamen neue geistige Konzepte in die Welt. Mit der Entwicklung der Sprache, der Erfindung der Schrift und dem Wissen, alles zu speichern, konnte sich Geistiges zu Hochformen entfalten. 

Unser Bewusstsein ist die derzeit höchste Form des Geistigen. Angesichts des Endes des Dualismus zwischen Materie und Bewusstsein beziehungsweise zwischen Natur und Geist durch die Erkenntnisse der Quantenphysik und die Tatsache, dass alle Bewusstseinsvorgänge in einem universalen Netz elektromagnetischer Wellen eingebettet sind, liegt es gemäß Frido und Christine Mann nahe, sich in einem immensen, pulsierenden, ineinander schwingenden Komplex von kurz- und langwelligen masselosen Energiefeldern eingebettet zu fühlen. 

Die zwei Seiten derselben Medaille 

„Pick a flower on Earth and you move the farthest star“ (Paul Dirac). In der Natur, im Kosmos ist alles mit allem ineinander verschränkt. Dieser Ganzheitscharakter gemäß der Quantentheorie ist leicht begreiflich und wird dadurch deutlich, dass Moleküle gänzlich neue Eigenschaften haben als ihre Ausgangsatome. Das Wasser (H2O) zum Beispiel hat geradezu gegensätzliche Eigenschaften zu den beiden Gasen Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O2), aus denen Wasser besteht. Die Quantentheorie ist die naturwissenschaftliche Grundlage für ein besseres Verständnis dafür, wie qualitativ völlig Neues entstehen kann. 

Seit Albert Einstein wissen wir auch, dass Raum und Zeit die zwei Seiten derselben Medaille sind. Materie und Energie sind ebenfalls die zwei Seiten derselben Medaille. James Maxwell konnte zeigen, dass Elektrizität und Magnetismus die zwei Seiten ein- und derselben Medaille sind. Durch die Entdeckung der DNA gelang der Nachweis, dass alle Lebewesen einen gemeinsamen genetischen Code haben, dass sie also auf diese Weise ineinander verschränkt sind. 

Ist die Existenz von Energiefeldern anzunehmen, die dem, was wir als Geist bezeichnen, sehr nahe stehen, vielleicht sogar mit ihm identisch sind?

Bearbeitungsstand: Montag, 28. Mai 2018

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