Eins

Die Natur liebt es, sich zu verbergen

Die Wirklichkeit ist das Geschäft der Physik.

– Albert Einstein

Die Quantenmechanik bildet seit neun Jahrzehnten den Kern unseres Naturverständnisses. Sie ist allgegenwärtig, aber auch zutiefst rätselhaft. Nur ein kleiner Teil der modernen Naturwissenschaft würde ohne sie einen Sinn ergeben. Aber die Experten finden es schwer, sich darüber zu einigen, was sie über die Natur behauptet.

Die Quantenmechanik erklärt, warum es Atome gibt und warum Atome stabil sind und charakteristische chemische Eigenschaften haben. Sie erklärt auch, wie Atome sich zu vielfältigen Molekülen verbinden. Infolgedessen ist sie die Grundlage für unser Verständnis der Formen und Interaktionen dieser Moleküle. Ohne Quanten wäre das Leben unverständlich. Vom Verhalten von Wasser bis zur Form von Proteinen und der Genauigkeit und Übertragung von Information durch dieDNA undRNA hängt alles in der Biologie von Quanten ab.

Die Quantenmechanik erklärt die Eigenschaften von Materialien, wie beispielsweise, warum Metall elektrischen Strom leitet, während ein anderes Material isolierend wirkt. Sie erklärt das Licht und die Radioaktivität und ist die Grundlage der Kernphysik. Ohne sie würden wir nicht verstehen, warum die Sterne leuchten. Und wir hätten auch nicht die Chips und Laser erfinden können, auf denen ein so großer Teil unserer Technik beruht. Die Quantenmechanik ist die Sprache, die wir verwenden, um das Standardmodell der Elementarteilchenphysik aufzuschreiben, das unser gesamtes Wissen über die Elementarteilchen und die Grundkräfte enthält, durch die sie miteinander interagieren.

Unserer besten Theorie des frühen Universums zufolge entstand die gesamte Materie in Verbindung mit den Mustern, die sich schließlich zu Galaxien zusammenschlossen, aus der Zufälligkeit des Quantenvakuums des leeren Raumes durch die schnelle Ausdehnung des Universums. Ich erwarte vom Leser nicht, dass er genau versteht, was das bedeutet, aber vielleicht rufen die Worte ein Bild hervor. Wenn das stimmt, gäbe es jedenfalls ohne Quantenphysik buchstäblich nichts außer leerer Raumzeit.

Doch trotz all ihrer Erfolge gibt es im Zentrum der Quantenmechanik ein hartnäckiges Rätsel. Die Quantenwelt verhält sich auf eine Weise, die unsere Intuition infrage stellt. Man sagt häufig, dass in der Quantenphysik ein Atom gleichzeitig an zwei Orten sein kann, aber das ist erst der Anfang; die vollständige Geschichte ist weitaus merkwürdiger als dies. Wenn ein Atom hier oder dort sein kann, müssen wir von Zuständen sprechen, in denen es irgendwie gleichzeitig hier und dort ist. Das wird alsSuperposition bezeichnet.

Wenn Sie ein Neuling in der Quantenwelt sind, fragen Sie sich bestimmt, was es bedeutet, dass ein Atom irgendwie sowohl hier als auch dort ist. Verlieren Sie nicht den Mut, wenn Sie das verwirrend finden. Sie haben ganz und gar das Recht, sich zu fragen, was das bedeutet. Das ist eines der zentralen Rätsel der Quantenmechanik. Im Augenblick genügt es jedoch, wenn Sie dies einfach als ein Rätsel akzeptieren, dem wir den Begriff »Superposition« beilegen. Später werden wir in der Lage sein, es zu enträtseln.

Folgendes ist ein erster Schritt. Wenn wir sagen, dass ein Quantenteilchen in einer »Superposition von hier und dort« ist, bezieht sich das auf die wellenartige Natur der Materie, denn eine Welle ist eine Stör