Wie die Quantenphysik entstanden ist

Den Begriff der Quanten hat der deutsche Physiker Max Planck im Jahr 1900 eingeführt. Damit fand er die richtige Formel für das Aussenden und Aufnehmen von Licht. Es wird nicht als kontinuierlicher Strom ausgesendet und aufgenommen, sondern in Form von „Päckchen“. Zu ihnen sagte Planck „Quanten“. Wichtig: Nur das Aussenden und Aufnehmen sollte in Form von Quanten geschehen. Er ging nicht davon aus, dass das Licht selbst aus ihnen besteht. Denn das würde bedeuten, dass es einen Teilchencharakter hätte. Planck war aber so wie alle anderen Physiker seiner Zeit völlig davon überzeugt, dass Licht ausschließlich aus Wellen besteht.
Ein Außenseiter namens Albert Einstein war dann im Jahre 1905 (seinem Wunderjahr) wesentlich mutiger. Mit der Annahme, dass das Licht selbst aus Quanten besteht, konnte er den Photoeffekt erklären. Zwar war die Skepsis zunächst groß. Denn Licht hätte dann sowohl einen Wellen-, als auch einen Teilchencharakter. Aber andere Experimente zeigten später ebenfalls den Teilchencharakter des Lichts. So wurde seine Doppelnatur, der sogenannte „Welle-Teilchen-Dualismus“, schließlich akzeptiert.
Ein anderes großes Rätsel jener Zeit war der Aufbau der Atome. Um 1910 führte dann der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford an der Universität von Manchester die entscheidenden Experimente durch. Er konnte zeigen, dass die Atome aus einem extrem winzigen Kern bestehen, der allerdings fast die gesamte Masse des Atoms enthält. Umgeben ist der Kern von den Elektronen. Sie sollten um den Kern kreisen wie die Planeten um die Sonne. Eine andere Form der Bewegung war damals nicht vorstellbar. Das führte die Physik in eine tiefe Krise. Denn die Elektronen haben eine elektrische Ladung und eine Kreisbewegung bewirkt, dass sie Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgeben. Das lässt die Elektronen in den Kern stürzen. Daher die tiefe Krise, denn es dürfte eigentlich gar keine Atome geben.
Im Jahr 1913 versuchte ein junger Mitarbeiter von Ernest Rutherford, der dänische Physiker Niels Bohr, die Stabilität der Atome zu erklären. Er übertrug die Idee der Quanten auf die Bahnen der Elektronen in den Atomen. Das bedeutet, dass es für sie keine beliebigen Bahnen um den Kern gibt, sondern dass nur bestimmte erlaubt sind. Bohr unterstellte, dass diese stabil sind. Dass also die Elektronen auf ihnen keine elektromagnetische Strahlung abgeben. Ohne allerdings eine Erklärung liefern zu können, warum das so sein sollte. Trotzdem war sein Atommodell zunächst durchaus erfolgreich, weil sich mit ihm erstmalig einige fundamentale Beobachtungen erklären ließen.
Dann kam der französische Physiker Louis de Broglie. Er übertrug den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts auf die Elektronen in den Atomen. Sie sind demnach nicht nur Teilchen, sondern haben auch einen Wellencharakter. Wellen besitzen eine Wellenlänge. Die stabilen Bahnen der Elektronen des Bohr’schen Atommodells zeichnen sich dadurch aus, dass ihr Umfang einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge entspricht. Die Elektronen auf den stabilen Bahnen stellen daher eine „stehende“ Welle dar, also etwas Statisches. Das erklärt, warum sie keine elektromagnetische Strahlung abgeben.
Darauf aufbauend entwickelte der österreichische Physiker Erwin Schrödinger 1926 seine nach ihm benannte Gleichung, die Schrödingergleichung. Ihre Lösungen sind sogenannte Wellenfunktionen. Erst mit ihnen ließ sich die Stabilität der Atome überzeugend erklären. Betrachten wir hierzu das einfachste Atom, das ist das Wasserstoffatom. Es besteht aus einem Proton als Kern und einem sich um ihn bewegendes Elektron. Löst man die Schrödingergleichung für das Wasserstoffatom, so findet man, dass das Elektron nur bestimmte Energiewerte annimmt. Ganz wichtig: Es gibt einen kleinsten Energiewert. Das bedeutet, dass das Elektron stets einen gewissen Abstand vom Kern hat. Was das Wasserstoffatom stabil macht.
Allerdings ist das Verhalten des Elektrons völlig merkwürdig. Denn es hat keine feste Bahn mehr, es befindet sich vielmehr gleichzeitig an sehr vielen verschiedenen Orten und es hat gleichzeitig sehr viele verschiedene Geschwindigkeiten. Das nennt man Superpositionszustände. Sie sind es, die für die Stabilität des Wasserstoffatoms sorgen. Bestimmt werden sie von den Lösungen der Schrödingergleichung, den Wellenfunktionen. Die Superpositionszustände gibt es nicht nur beim Wasserstoffatom. Es gibt sie bei allen anderen Atomen und Molekülen. Und auch bei ihnen sorgen sie für deren Stabilität. Die Superpositionszustände sind daher extrem wichtig, ohne sie gäbe es keine strukturierte Materie und natürlich auch kein Leben.