Warum wir nicht durch Wände gehen*

Kapitel 1

Wellen, Teilchen, Quantenschwubbel

Warum es uns nicht überraschen sollte, dass uns die Quantenphysik überrascht, warum Tomaten und Wasserwellen völlig unterschiedliche Dinge sind und wie man die wahre Natur des Lichts verstehen kann: Licht ist weder Welle noch Teilchen, sondern gewissermaßen beides gleichzeitig.

Das Universum ist gar nicht so kompliziert. Und das ist auch gut so. Über viele Grundregeln der Natur müssen wir im Alltag kaum nachdenken, weil sie uns völlig selbstverständlich vorkommen.

Wenn eine Katze nach links läuft, dann läuft sie in diesem Augenblick garantiert nicht nach rechts. Wenn mir ein Ei auf den Boden fällt, ist es danach entweder kaputt oder es ist heil geblieben. Wenn ich eine Tomate in hohem Bogen gegen eine Wand werfe, dann bewegt sie sich Punkt für Punkt auf einer ganz bestimmten Bahn, bis sie an die Wand klatscht und als roter Matschfleck kleben bleibt.

Nichts davon erscheint uns überraschend. So verhalten sich Objekte eben, so haben wir das unser ganzes Leben lang beobachtet. Wir haben ein ziemlich gutes Bauchgefühl dafür, welches Verhalten wir von der Natur erwarten können.

Doch wenn wir uns mit Quantenphysik beschäftigen, dann lässt uns dieses Bauchgefühl plötzlich im Stich. Atome, Moleküle und andere Quantenteilchen verhalten sich völlig anders als Katzen, Eier oder Tomaten.

Wenn sich ein Atom nach links bewegt, kann es sich gleichzeitig auch nach rechts bewegen. Ein Molekül, das mit einem Laserstrahl getroffen wird, kann gleichzeitig auseinanderbrechen und ganz bleiben. Ein Elektron, das sich um den Atomkern bewegt, folgt keiner bestimmten Bahn. Wenn es sich vor einem Augenblick links vom Atomkern befunden hat und jetzt rechts davon, dann muss es den Weg dazwischen nicht Punkt für Punkt zurückgelegt haben.

Aber was soll das nun bedeuten? Wie sollen wir uns das vorstellen? Auf welche Weise soll das jemals Sinn ergeben? Solche Phänomene passen einfach nicht zu unserem schönen, übersichtlichen Weltbild, das wir uns im Kopf zurechtgebastelt haben. Wenn es um Quantenteilchen geht, dann ist unsere Intuition überfordert, unser Bauchgefühl knickt ein, unser Alltagsverstand muss sich geschlagen geben.

Daraus wird dann leider oft der Schluss gezogen, die Quantentheorie sei etwas prinzipiell Unverständliches. Wenn man sich nicht die Mühe machen will, verwirrenden Dingen auf den Grund zu gehen, kann man natürlich auch einfach mit bedeutungsvoller Stimme verkünden: "Ein Teilchen, das sich gleichzeitig nach links und nach rechts bewegt, das widerspricht dem gesunden Menschenverstand! Die Quantentheorie ist also völlig verrückt und für unseren menschlichen Geist unbegreiflich! Niemand kann die Quantenphysik wirklich verstehen!"

Aber damit hat man nichts gewonnen, nichts erklärt und niemandem geholfen. Man hat bloß mystisches Bauchkribbeln produziert, keine nützliche Erkenntnis. Manche Leute driften dann überhaupt in magisches Denken ab und bringen Quantentheorie mit esoterischen Ideen in Verbindung - von übersinnlicher Gedankenübertragung bis hin zu Wunderheilungen. Nichts daran ist sinnvoll.

Im Universum gelten Regeln, auf die man sich verlassen kann. Egal ob man ein Mensch ist oder ein Atom, eine Katze oder ein Laserstrahl - an die Naturgesetze halten sich alle. Das gilt auch in der Welt der kleinen Teilchen. Wir müssen uns bloß darauf einlassen, dass die Regeln der Quantentheorie ein bisschen anders funktionieren als die Regeln unseres Alltags. Und genau das wollen wir nun versuchen: Wir wollen über unsere gewohnten Alltagserfahrungen hinausgehen und Schritt für Schritt immer besser verstehen, warum die merkwürdigen Regeln der Quantentheorie bei näherer Betrachtung gar nicht so merkwürdig sind.

Die Welt in Tausenderschritten

Dass die Quantentheorie nicht so recht zu unserer Alltagserfahrung passt, sollte niemanden verwundern: Schließlich sind die Objekte, mit denen wir Tag für Tag zu tun haben, nun mal gigantisch groß, verglichen mit Atomen oder anderen Teilchen, für die man die Quantentheorie entwickelt hat.

Wir Menschen haben eine Größe von ungefähr einem Meter. Oder vielleicht sind es auch zwei - für Größenordnungsabschätzungen spielt das keine Rolle. Kleine Insekten sind ungefähr tausendmal kleiner als wir, sie werden in Millimetern gemessen. Natürlich gelten für Ameisen oder Mücken dieselben Naturgesetze wie für uns, aber die Physik fühlt sich auf Millimeter-Skala bereits völlig anders an.

So ist zum Beispiel Wasser in unserer Alltagserfahrung etwas Fließendes. Wenn man ein Gefäß mit Wasser füllt, passt sich das Wasser genau an dessen Form an. Ameisen hingegen kennen Wassertropfen auch als große Kugeln, die nach dem Regen plötzlich auf Blättern herumliegen.

Gravitation ist die Kraft, die unseren menschlichen Alltag am stärksten bestimmt, zumindest wenn wir uns nicht gerade in einer Raumstation befinden. Sie sagt uns, wo oben und unten ist, sie bewirkt, dass wir erschöpft sind, wenn wir die Einkaufstasche in den vierten Stock schleppen, und dass wir uns den Fuß verstauchen, wenn wir vom Apfelbaum herunterfallen.

Auch Ameisen spüren die Gravitation, aber im Ameisenalltag hat sie eine völlig andere Bedeutung. Man kann als Ameise problemlos auf der Unterseite eines Blattes herumkrabbeln, ohne den Halt zu verlieren, oder einen Baumstamm hochlaufen, ohne danach außer Atem zu sein. Und wenn eine Ameise abstürzt und Hunderte Ameisenkörperlängen weit zu Boden fällt, dann bricht sie sich dabei kein einziges Bein.

Schon in der Welt der Ameisen gelten also bereits völlig andere Alltagsregeln als bei uns. Aber es geht noch viel weiter. Wenn wir einen weiteren Tausenderschritt machen, bringt uns der von Millimetern zu Mikrometern - von Ameisen zu Bakterien. Wieder sind wir in einer völlig anderen Welt angekommen. Und wenn wir von den Bakterien noch einen Tausenderschritt wagen, dann sind wir bei Nanometern, der Größenordnung von Molekülen und Atomen. Noch zwei weitere Tausenderschritte brauchen wir, um bei der Größenordnung von Protonen und Neutronen anzukommen.

Es ist daher nicht überraschend, sondern sogar ziemlich erwartbar, dass sich die Regeln der Quantenwelt von unseren Alltagsregeln unterscheiden. Für jede Ebene braucht man eben andere Konzepte, Begriffe und Werkzeuge. Mit einem Presslufthammer kann man keine Atome spalten.

Tatsächlich überraschend ist hier etwas ganz anderes - nämlich, dass wir Menschen heute technisch in der Lage sind, solche winzigen Quantenteilchen zu manipulieren. Wir können mit einzelnen Atomen herumspielen oder ihnen gezielt ein Elektron wegnehmen. Und das, obwohl wir milliardenfach größer sind als sie. Das ist ähnlich verrückt, als würden Planeten einem Menschen eine neue Frisur verpassen.

Neue Ideen und alte Begriffe

Es gibt zwei ganz unterschiedliche Arten, etwas zu verstehen. Manchmal lernen wir etwas dazu, indem wir den Gedanken, die bereits in unserem Kopf sind, eine neue Ordnung geben. Wir entdecken eine neue Beziehung zwischen Dingen, die wir bereits kennen. Ich weiß, was Spinnen sind, und ich weiß, was Beine sind. Ich erfahre, dass Spinnen genau acht Beine haben, und habe etwas gelernt.

Manchmal genügt das aber nicht. Wenn wir auf etwas völlig Unbekanntes stoßen, dann müssen wir in unserem Kopf ein neues Konzept hinzufügen, eine neue Kategorie anlegen, einen neuen Gedanken wachsen lassen. Ein Kind, das bisher nur mit Menschen zu tun hatte und nun mit quietschender Begeisterung zum ersten Mal eine Katze sieht, lernt dabei etwas grundlegend Neues. Die Katze ist kein kleiner Fellmensch mit Krallen. Sie ist etwas fundamental anderes. Man muss im Kopf das neue Konzept "Katze" anlegen, dann kann man mit der Katze spielen und sich an sie gewöhnen. Und irgendwann wird sie etwas Alltägliches.

Für Kinder ist das kein Problem. Dann sollte es aber auch für uns kein Problem sein, Quantenteilchen als etwas Neues zu akzeptieren. Ein Elektron ist keine winzige Tomate mit elektrischer Ladung. Es ist etwas fundamental anderes. Man muss im Kopf das neue Konzept "Quantenteilchen" anlegen, dann kann man wissenschaftlich mit den Elektronen spielen und sich an sie gewöhnen. Und irgendwann wird auch das Quantenteilchen etwas Alltägliches.

Wenn wir krampfhaft versuchen, die Quantenphysik irgendwie mit unserer Alltagserfahrung zu erklären, machen wir uns das Leben unnötig schwer. Wir verwirren uns selbst, wenn wir für die Welt der Quanten Begriffe verwenden, die wir uns für Dinge aus unserer Alltagswelt ausgedacht haben. Das kann nicht wirklich gut gehen.

Wenn man Quantenphysik verstehen möchte, stößt man manchmal auf merkwürdige Sätze, wie etwa: "Quantenteilchen haben Wellen- und Teilcheneigenschaften." Das ist...