Hintergrund

Eine universelle Theorie

Von Rainer Scharf

Die Quantentheorie hat wie kaum eine andere wissenschaftliche Theorie unsere Denkgewohnheiten infrage gestellt. Ihre bisweilen paradox anmutenden Vorhersagen haben sich in zahllosen Experimenten stets bewahrheitet: Die Quantentheorie gilt ebenso in der atomaren wie in der subatomaren Welt. Sie liegt der Supraleitung ebenso zugrunde wie den Schwingungen der Kristalle und den elektrischen Eigenschaften der Halbleiter. Darauf beruht der Erfolg ihrer Anwendungen, die unsere Welt tiefgreifend verändert haben.

Welche Erfolge die Quantentheorie vorweisen kann und wie weitreichend ihr Einfluss ist, zeigte sich besonders eindringlich bei den vier wissenschaftlichen Symposien, die an der TU Berlin stattfanden. In mehr als 40 Vorträgen entwickelten Wissenschaftler aus aller Welt ein eindrucksvolles Panorama dieser Jahrhunderttheorie, ihrer Geschichte und ihrer Folgen.

Bei der Beschreibung der kleinsten Materiebausteine und ihrer Wechselwirkungen bildet die Quantentheorie die Grundlage, auf der das Standardmodell der Elementarteilchen aufbauen konnte. Der Nobelpreisträger Jerome Friedman berichtete, wie sich in der Teilchenphysik das Konzept der Quarks entwickelt und durchgesetzt hat. Dafür waren Experimente am Sta.nford Linear Accelerator entscheidend, bei denen Elektronen stark unelastisch an Nukleonen gestreut wurden. Inzwischen wisse man, dass die Quarks kleiner als 10-19 Meter sein müssen, so Friedman.

Die Quarks kommen in der Natur aber nicht isoliert vor. Der Nobelpreisträger Gerard 't Hooft beschrieb die anhaltenden Bemühungen, das "confinement" der Quarks zu verstehen, die in der Quantenchromodynamik (QCD) gipfeln. Doch 't Hooft wies darauf hin, dass die QCD noch längst nicht abgeschlossen ist. Zwar glaube man, die korrekten Gleichungen zu haben, aber es fehle noch an effektiven Verfahren, sie zu lösen. Zudem müsse noch bewiesen werden, dass die QCD eine mathematisch einwandfreie Grundlage besitzt.

Symmetrien spielen in der Quantentheorie eine wichtige Rolle, seien es raum-zeitliche oder interne Symmetrien des betrachteten physikalischen Systems. Es hat sich gezeigt, dass Symmetrien sogar notwendig sind, wenn man quantenfeldtheoretische Modelle überhaupt definieren will, betonte Julius Wess von der Universität München. Die so genannte Supersymmetrie zwischen Bosonen und Fermionen scheint mit der Quantentheorie in einem fundamentalen Zusammenhang zu stehen. Deshalb sei es nicht verwunderlich, dass die meisten erfolgversprechenden physikalischen Modelle supersymmetrisch sind. Den überfälligen experimentellen Nachweis der Supersymmetrie erhofft man sich vom Large Hadron Collider am CERN.

Dass in den letzten Jahren das Interesse an der Quantentheorie und ihrer Interpretation so stark zugenommen hat, ist nicht zuletzt der Atomphysik und der Quantenoptik zu danken. Nicolas Gisin von der Universität Genf berichtete über Experimente mit verschränkten Photonenpaaren, bei denen die Nichtlokalität der Quantentheorie über Entfernungen von mehr als 10 Kilometern nachgewiesen werden konnte. Die Photonen wurden durch Glasfasern übertragen, über die gleichzeitig die Genfer Telekommunikation ablief. Kürzlich haben Experimente mit paarweise verschränkten Photonen gezeigt, dass Messungen an einem Photon augenblicklich die Wellenfunktion des Photonenpaares beeinflussen. Die fiktive "Ausbreitungsgeschwindigkeit", mit der die anfangs verschränkte Wellenfunktion kollabiert, ist im ortsfesten Bezugssystem mindestens sechs Millionen Mal größer als die Lichtgeschwindigkeit.
Bei Experimenten mit drei verschränkten Photonen treten die erstaunlichen Konsequenzen der Quantentheorie noch deutlicher zutage, wie Anton Zeilinger von der Universität Wien berichtete. Befinden sich drei Photonen in einer Verschränkung polarisierter Zustände, so misst man, im Einklang mit der Quantentheorie, an den Photonen ganz bestimmte Tripel von Polarisationen. Doch genau diese Kombinationen von Messresultaten sind ausgeschlossen, wenn man dem lokalen Realismus folgend annimmt, dass die Polarisationsmessungen an jeweils zwei der Photonen die Polarisation des dritten unbeeinflusst lassen.

Im vergangenen Jahr haben Dave Wineland vom National Institute of Standards and Technology in Boulder und seine Mitarbeiter vier Beryllium-lonen in einen verschränkten Zustand gebracht. Die Ionen befanden sich in einer Falle, aufgereiht wie Perlen auf einer Schnur. Dabei lagen die Ionen in zwei Hyperfeinniveaus vor. Laserlicht brachte die Ionen in einen verschränkten Zustand. Wineland betonte, dass sich mit diesem Verfahren auch mehr als vier Ionen verschränken ließen. Doch schon mit zwei bzw. vier Ionen könne man universelle logische Bausteine herstellen.

Aus diesen Komponenten könne man ein Quantennetzwerk aufbauen, meinte Peter Zoller von der Universität Innsbruck. Die Knoten des Netzwerks bestehen demnach aus Atomen oder Ionen in verschränkten Zuständen. Sie können Quanteninformation speichern und verarbeiten. Die Kanäle des Netzwerks wären Glasfasern, über die verschränkte Photonen zwischen den Ionen oder Atomen ausgetauscht werden. Mithilfe neuer Fehlerkorrekturverfahren könnten solche Quantennetzwerke trotz der Unzulänglichkeiten ihrer Komponenten zuverlässig arbeiten.

Auch in der Festkörper- und der Oberflächenphysik ist es Routine, Quanteneffekte direkt zu beobachten und auszunutzen. Das gilt z. B. für die Erforschung und Gestaltung von Nanostrukturen etwa mithilfe der Rastertunnelsonde, über die Roland Wiesendanger von der Universität Hamburg berichtete. Dabei kann man sowohl die Position einzelner Atome als auch die quantenmechanischen Wellenfunktionen von Leitungselektronen beobachten. Und auch beim Einzelelektronentransistor, über den Marc, Kastner vom Massachusetts Institute of Technology sprach, treten zugleich die Teilchen- und die Welleneigenschaften der Elektronen zutage. Mit diesen nanometergroßen Bauteilen lassen sich "künstliche Atome" bauen, deren Spektren man nach Wunsch verändern kann.

Alle Vorträge, die in Berlin zur Erinnerung an Plancks revolutionäre Entdeckung gehalten wurden, machten deutlich, dass die Quantentheorie das Fundament der modernen Physik ist. Zugleich übt sie auf die Physiker eine große Faszination aus und leitet sie zu neuen Entdeckungen.

Physikalische Blätter 57 (2001) Nr. 2, S. 21
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