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Thomas de Padova erklärt, wie Einstein beinahe an einem physikalischen Problem scheiterte

Interview

Thomas de Padova über Quantentheorie: „Albert Einstein ist daran schier verzweifelt“

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    Gedankenaustausch über Nationalitätsgrenzen hinweg: Die Physiker Niels Bohr (vorne) und Albert Einstein bei einem Treffen 1925 in Leiden.
    Gedankenaustausch über Nationalitätsgrenzen hinweg: Die Physiker Niels Bohr (vorne) und Albert Einstein bei einem Treffen 1925 in Leiden. Foto:  Ann Ronan Picture Library / Photo12 via AFP

    Herr de Padova, kaum einer kapiert’s und doch haben einige Begriffe aus der Quantentheorie in den Alltag gefunden. Der missverstandene Quantensprung zum Beispiel.
    THOMAS DE PADOVA: Das ist keine große Sache, sondern etwas ganz Winziges. Oft ist es sogar die kleinstmögliche Änderung eines physikalischen Zustands. Dennoch hat die Metapher etwas für sich, denn das Wesentliche am Quantensprung ist die abrupte Änderung. Plötzlich wird ein neues Level erreicht.

    Auch in der Natur scheint vieles nicht nach Plan, sondern sprunghaft abzulaufen.
    PADOVA: Mit dieser überraschenden Unstetigkeit der Natur haben Forscher wie Max Planck lange gerungen. Sie markiert den Anfang der Quantentheorie. Außerdem lauert im Innersten der Materie der Zufall. Zu welchem Zeitpunkt es nämlich zu einem Quantensprung kommt, wann ein Atom zum Beispiel unter Aussendung von Licht seinen Energiezustand ändert, lässt sich nicht vorhersagen. Genauso wenig wie der radioaktive Zerfall eines Atomkerns. Albert Einstein hat diese statistischen Zusammenhänge als erster Forscher erkannt und ist daran schier verzweifelt.

    In Ihrem neuen Buch steht das Licht im Zentrum, weshalb?
    PADOVA: Ich gehe vom Licht aus, weil wir im 21. Jahrhundert in eine neue Ära der optischen Technologien eingetreten sind. Ihr Herzstück ist der Laser. Das lädt dazu ein, die Entstehung der Quantenphysik einmal aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten. Vor hundert Jahren wurde nicht nur der Aufbau des Atoms entschlüsselt, parallel dazu rückte die Frage „Was ist Licht?“ ins Zentrum der Wissenschaft.

    Hat das Licht nicht auch Max Planck inspiriert?
    PADOVA: Planck versuchte, jene Strahlung, die Körper aufgrund ihrer Wärme aussenden, mathematisch zu beschreiben.

    Dass Objekte ihre Farbe je nach Temperatur verändern?
    PADOVA: Ja. In einer Kerzenflamme sieht man solche unterschiedlichen Farben sehr schön. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts interessierten sich Physikerinnen und Physiker vor allem für das künstliche Licht der Bogenlampen oder Glühbirnen. In Metropolen wie Berlin machte das elektrische Licht die Nacht zum Tage. Allerdings verwandeln Glühbirnen nur einen geringen Teil der Energie in sichtbares Licht. Den größten Teil ihrer Strahlung nehmen wir gar nicht wahr. Nicht zuletzt solcher Energieverluste wegen wollte Planck das komplette Strahlungsspektrum verstehen. Das gelang ihm mit seiner berühmten Strahlungsformel unter der Annahme, dass ein leuchtender Körper seine Energie nicht in beliebig kleinen Mengen abgeben kann, sondern stets nur in diskreten Energieportionen, in Quanten.

    Dann haben Quanten eine klar definierte Größe?
    PADOVA: Das zeichnet sie aus. Aber Plancks Energiequanten waren ein rein rechnerisches Hilfsmittel. Erst Einstein machte Lichtquanten daraus. An ihre Existenz wollte niemand glauben. Denn die Indizien dafür, dass Licht Wellencharakter besitzt, waren überwältigend. Von 1923 an trat der Teilchencharakter, den Licht bei manchen Experimenten zeigt, allerdings immer deutlicher zutage.

    Was ist überhaupt ein Teilchen?
    PADOVA: Genau darum drehte sich die berühmte Solvay-Konferenz 1927 in Brüssel, bei der Lichtquanten erstmals als Photonen bezeichnet wurden: Sind sie, wie ihr Name suggeriert, den Elektronen irgendwie ähnlich? Sie haben doch nicht einmal eine Masse. Und inwiefern ist ein Elektron ein Teilchen, wenn es in manchen Experimenten Welleneigenschaften aufweist? Bei Quanten versagen unsere gewohnten Kategorien und Bilder. Man spricht von der Welle-Teilchen-Dualität. Darüber hinaus sind Quanten ununterscheidbar, sie verhalten sich, statistisch gesehen, merkwürdig und haben rätselhafte Eigenschaften.

    Angeblich können Quanten gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten sein. Wie das?
    PADOVA: Die Welle-Teilchen-Dualität ist für uns ein Abrakadabra. Wenn die gemeinhin als Partikel gedachten Elektronen daherkommen wie sich ausbreitende Wellen, geraten wir ins Grübeln. Wir können unser klassische Teilchenvorstellung und unsere raumzeitlichen Bilder schwer abschütteln. Auf die scheinbar einfache Frage, was ein Teilchen ist, hat die Wissenschaft bis heute keine Antwort.

    In Ihrem Buch beschreiben Sie die Quantentheorie als Ergebnis einer länderübergreifenden Zusammenarbeit. Dabei waren deutsche Forscher bis 1927 von internationalen Konferenzen ausgeschlossen.
    PADOVA: Niels Bohr, der Begründer des nach ihm benannten Atommodells, nahm direkt nach dem Krieg Einladungen nach Berlin und Göttingen an. Er brach das Eis. Und Einstein hielt die Verbindung nach Frankreich aufrecht. Man beschimpfte ihn als Franzosenfreund. Nach dem Mord an Außenminister Walther Rathenau im Sommer 1922 musste er untertauchen, weil man ihm nach dem Leben trachtete. Doch nur als „Franzosenfreund“ konnte Einstein 1925 zum Geburtshelfer der Materiewellen werden und einen völlig neuartigen Materiezustand vorhersagen: das in den 1990er Jahren erstmals nachgewiesene Bose-Einstein-Kondensat.

    Wie sehr hat die Persönlichkeit der Wissenschaftler eine Rolle gespielt?
    PADOVA: Das ist ein wichtiger Punkt, nicht nur im Hinblick auf den Freigeist und Eigenbrötler Einstein. Selten hat es einen so charismatischen Forscher gegeben wie den Dänen Niels Bohr. Einstein bezeichnete ihn als höchst feinfühliges Kind. Und Werner Heisenberg beschrieb ihn als den einzigen Gelehrten, der auch seiner Mama gefallen würde. In Kopenhagen gründete Bohr das neben Göttingen bedeutendste Forschungszentrum für Quantentheorie. An beiden Orten wurde Teamwork großgeschrieben.

    Nun leben wir seit 100 Jahren mit der Quantenphysik. Wie wirkt sie sich aus?
    PADOVA: Sie durchdringt unseren gesamten Alltag. Ohne Quantenphysik kein Smartphone, kein Computer, keine Datenkommunikation über Glasfasernetze, keine Solarzellen, keine LED. Und ohne den Laser, ohne Quantenlicht wären viele medizinische Eingriffe unmöglich. Tagtäglich beheben Augenärzte mit dem Laser Kurz- oder Weitsichtigkeiten. Sie setzen ihn bei Operationen des Grauen Stars oder der Netzhautablösung ein.

    Gibt es überhaupt noch Hightech, die ohne Quantenphysik auskommt?
    PADOVA: So gut wie keine, Panzer und Kampfdrohnen eingeschlossen. Auch die Filmaufnahmen, die uns über Autokameras und Camcorder unmittelbar von den Kriegsschauplätzen erreichen, gäbe es ohne Quantenphysik nicht.

    Zur Person

    Thomas Padova, 59-jähriger Physiker aus Neuwied, hat sich als Buchautor einen Namen gemacht. Er schrieb über Albert Einstein und die Schwerkraft (2015) oder den Aufbruch der Mathematik in der Renaissance (2021). Jetzt ist von ihm „Quantenlicht. Das Jahrzehnt der Physik 1919–1929“ im erschienen (Hanser, 336 Seiten, 28 Euro).

    Diskutieren Sie mit
    4 Kommentare
    Rainer Kraus

    Hoffentlich wird einmal veröffentlicht, dass Albert Einstein die deutschen Unterlagen der Atomforschung entwendet hat, in die Schweiz floh und nach 2-Jährigem Zwischenaufenthalt diese an die USA verkaufte und einreisen durfte.

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    Martin Goller

    Mal angenommen ihre krude These hätte irgendeine Art von Hand und Fuß: Chapeau Herr Einstein, die Nazis davon abgehalten eine Atombombe zu bauen! Dafür sollte er posthum einen weiteren Nobelpreis erhalten.

    Klara Rasper

    Fuer so eine Geschichte sollten Sie eigentlich Quellen angeben. Unlogisch ist sie allemal, da 1. Die Kernspaltung 1938 entdeckt wurde. 2. 5 Jahre zuvor Einstein Deutschland verlassen hat und nicht wieder besuchte. Ihr Kommentar hoert sich wie eine Kritik an diesem Tun an. Aber wenn es so gewesen waere, sind wir uns hoffentlich einig, dass er uns damit eine sehr, sehr lange Weltherrschaft der Nazis erspart haette. Das waere dann seine groesste Leistung gewesen. Aber wie gesagt: Kommen Sie doch erst mal mit Quellen rueber.

    Klara Rasper

    Aber noch immer gibt es in der Physik statische Magnetfelder nach Biot-Savart oder Ampere. Dass diese Felder staendig aus Teilchen neu aufgebaut werden, scheint keinem in den Sinn zu kommen. Einige Widersprueche wuerden sich dadurch elegant loesen.

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