"Die Metapher ist etwas schief"

Der Physiker Geza Giedke spricht im TR-Interview über theoretische Physik und die Frage, was ein Quantensprung nicht ist.

Giedke forscht in der Abteilung Theorie des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching.

Technology Review: Herr Giedke, fangen wir ganz von vorn an: Was ist ein Quant?

Geza Giedke: Ein Energiepaket bestimmter Größe. Die Idee, Energie werde nicht kontinuierlich, sondern in "gequantelten" Portionen abgegeben, veränderte Anfang des 20. Jahrhunderts tiefgreifend unser Verständnis dessen, was wir über die Natur sagen und vorhersagen können. Denn die Quantenphysik brachte drei neue Erkenntnisse: Erstens bestimmt der Zustand eines Systems nicht alle seine Eigenschaften – beispielsweise lässt sich Ort oder Geschwindigkeit eines Teilchens angeben, aber nicht beides. Zweitens gibt es inhärent zufällige Prozesse – die Theorie kann nur deren Wahrscheinlichkeit vorhersagen. Schließlich: Die Beobachtung eines Systems verändert dessen Zustand.

TR: Und was ist ein Quantensprung?

Giedke: Ursprünglich beschrieb der Begriff die Übergänge zwischen verschiedenen diskreten Zuständen eines Atoms im Bohrschen Atommodell. Ihm zufolge vollzieht sich der Übergang ohne Zwischenstufen, daher das Bild des "Sprungs". Ein Atom "springt" etwa aus einem angeregten Zustand in einen weniger angeregten. Dabei gibt es ein Photon ab, dessen Energie der Differenz zwischen den beiden Zuständen entspricht. Heute hat die umfassendere Theorie der Quantenmechanik Bohrs Modell abgelöst. Sie kennt keine sprunghaften Vorgänge mehr. Ein besseres Bild für den Übergang ist die Drehung eines Zeigers von drei Uhr (Atom angeregt) nach sechs Uhr (Grundzustand, ein emittiertes Photon).

TR: Dann gibt es also gar keine Quantensprünge?

Giedke: Nicht als eigenständige Dynamik. Sie beschreiben aber das Verhalten beobachteter Quantensysteme, denn der Messprozess selbst ruft sprunghafte Veränderungen hervor. Nehmen wir zum Beispiel ein angeregtes Atom, das von einem idealen Photodetektor beobachtet wird. Solange dieser kein Photon misst, ist das Atom im angeregten Zustand; im Augenblick der Beobachtung "springt" es in den Grundzustand.

TR: Zeigen sich Quantensprünge auch im Alltag?

Giedke: Objekte, die wir normalerweise anschauen, bestehen ja aus einer riesigen Zahl von Atomen. Daher sehen wir zum Beispiel im Licht einer Glühbirne nicht einzelne Quantensprünge – und die dabei emittierten Photonen –, sondern eine Mittelung über viele Billionen. Solarzellen absorbieren ein Photon, daraufhin "springt" ein Elektron ins Leitungsband, von wo man es als Strom einsammeln kann. Auch den Zerfall instabiler Atomkerne kann man als Quantensprung auffassen. Gleichzeitig verdanken wir den diskreten Quantenzuständen gewissermaßen die Stabilität der Materie – und damit unsere Existenz.

TR: Dann ist es also doch nicht so falsch, dass der Begriff im allgemeinen Sprachgebrauch für etwas Bedeutendes steht...

Giedke: In der Physik beschreibt er ja nur mikroskopisch kleine Veränderungen. Immerhin geht es aber um perfekt unterscheidbare Zustände, die zum Beispiel logisch "ja" oder "nein" repräsentieren können – und wenn die oft etwas schiefe Metapher den einen oder anderen zum Nachfragen und Lernen über die Quantenphysik anregt, hat sie ja ihr Gutes. (bsc)