Wendepunkt in der Physik 24.03.2024, 12:49 Uhr

Was besagt das Plancksche Wirkungsquantum?

Im Jahr 1900 begründete der deutsche Physiker Max Planck die Quantentheorie. Diese hat die Welt der Physik auf den Kopf gestellt. Elementarer Bestandteil der Quantentheorie ist das Plancksche Wirkungsquantum. Wir schauen es uns einmal etwas genauer an.

plancksche Wirkungsquantum

Das plancksche Wirkungsquantum hat im Jahr 1900 die Welt der Physik auf den Kopf gestellt.

Foto: PantherMedia / sacatani (YAYMicro)

Ende der 1890er Jahre stand die Physik vor einem großen Rätsel: Die klassische Physik konnte nicht erklären, warum Objekte, die auf hohe Temperaturen erhitzt wurden, ein Lichtspektrum aussenden, das von dem vorhergesagten abwich. Dieses als „ultraviolette Katastrophe“ bekannte Phänomen veranlasste viele Wissenschaftler, die Grundlagen der Physik in Frage zu stellen. Mit der Entdeckung des Planckschen Wirkungsquantums begann das Quantenzeitalter. Sie ermöglichte es den Wissenschaftlern, die Quantentheorie zu entwickeln, die viele Phänomene auf atomarer und subatomarer Ebene erklärte, die mit der klassischen Mechanik nicht erklärbar waren.

Die ultraviolette Katastrophe

Die Entdeckung des Wirkungsquantums durch Max Planck markiert einen der wichtigsten Wendepunkte in der Geschichte der Physik und legte den Grundstein für die Entwicklung der Quantenmechanik. Dieses Ereignis ereignete sich im Zusammenhang mit der Suche nach einer Lösung für das Problem der schwarzen Strahlung, einem Phänomen, das mit den damals bekannten physikalischen Gesetzen nicht zufriedenstellend erklärt werden konnte.

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Ende des 19. Jahrhunderts stießen die Physiker auf ein Problem, das als „ultraviolette Katastrophe“ bekannt wurde. Dabei ging es um die Strahlung, die von so genannten Schwarzen Körpern ausgeht. Theoretische Modelle sagten voraus, dass die Intensität der Strahlung im ultravioletten Bereich unendlich groß werden müsse, was jedoch nicht mit den experimentellen Beobachtungen übereinstimmte. Max Planck fand die Lösung.

Definition des Planckschen Wirkungsquantum

Im Jahr 1900 präsentierte der deutsche Physiker Max Planck eine Lösung, die die Grundlagen der Physik grundlegend verändern sollte. Als Geburtstunde gilt ein Vortrag, den er auf der Sitzung der Berliner Physikalischen Gesellschaft in Berlin am 14. Dezember 1900 gehalten hat und der den Titel „Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum“ trug.

Um die Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment zu erklären, schlug Planck vor, dass Energie nicht kontinuierlich, sondern in diskreten Mengen (oder „Quanten“) übertragen wird. Diese Idee stand im Widerspruch zu den damaligen klassischen Vorstellungen über die Energieübertragung.

Planck führte den Begriff einer fundamentalen physikalischen Konstante ein, des Wirkungsquantums h, um seine Theorie zu quantifizieren. Er stellte die berühmte Formel E=h*f auf, wobei E die Energie eines Photons, h das Plancksche Wirkungsquantum (oder die Planck-Konstante) und f die Frequenz des Lichts ist. Mit dieser Gleichung konnte die Strahlung eines schwarzen Körpers korrekt beschrieben und das Problem der Ultraviolettkatastrophe gelöst werden.

Das Plancksche Wirkungsquantum verknüpft Teilchen- und Welleneigenschaften, es ist das Verhältnis von Energie und Frequenz eines Lichtquants und das Verhältnis zwischen Masse, Geschwindigkeit und Wellenlänge eines beliebigen, wesentlich unterlichtschnellen, Teilchens.

Der Wert des Planckschen Wirkungsquantums beträgt

h = 6,626 075 5(40) · 1034 J s = 4,135 669 2(12) · 1015 eV s

und hat demnach die Dimension von Energie mal Zeit, also einer Wirkung oder eines Drehimpulses.

Entwicklung der Quantentheorie

Mit der Entdeckung des Planckschen Wirkungsquantums begann das Quantenzeitalter. Sie ermöglichte es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Quantentheorie zu entwickeln, die viele Phänomene auf atomarer und subatomarer Ebene erklärt, die mit der klassischen Mechanik nicht erklärbar waren. Schauen wir uns die Jahre nach der Entdeckung der Planck-Konstante einmal etwas genauer an:

Die frühen Jahre der Quantentheorie

  • Albert Einsteins Beitrag: 1905, nur fünf Jahre nach Plancks revolutionärer Veröffentlichung, erweiterte Albert Einstein das Konzept der Quantisierung auf das Licht selbst, indem er die Existenz von Lichtquanten (später Photonen genannt) postulierte, um den fotoelektrischen Effekt zu erklären. Dies war ein entscheidender Schritt, der die Quantentheorie weiter legitimierte.
  • Niels Bohrs Atommodell: 1913 führte Niels Bohr sein Atommodell ein, das die Quantentheorie nutzte, um die Stabilität von Atomen und die Emission von Spektrallinien zu erklären. Bohrs Modell war ein weiterer Meilenstein, der zeigte, wie Quantenkonzepte verwendet werden können, um atomare Phänomene zu beschreiben.

Der Aufstieg der Quantenmechanik

  • Die Formulierung der Quantenmechanik: In den 1920er Jahren entwickelten Wissenschaftler wie Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born und Paul Dirac die Quantenmechanik weiter. Heisenbergs Matrizenmechanik und Schrödingers Wellenmechanik boten unterschiedliche, aber mathematisch äquivalente Beschreibungen der Bewegung von Quantenteilchen.
  • Das Unschärfeprinzip: 1927 formulierte Heisenberg das Unschärfeprinzip, das besagt, dass es unmöglich ist, gleichzeitig die genaue Position und den genauen Impuls eines Teilchens zu kennen. Dieses Prinzip unterstrich die fundamentalen Grenzen der Vorhersagbarkeit in der Quantenwelt.
  • Die Kopenhagener Interpretation: Unter der Führung von Bohr und Heisenberg entwickelten Physiker die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik, die bis heute eine der dominierenden Interpretationen bleibt. Sie betont die Rolle des Beobachters und die Tatsache, dass Quantenobjekte nicht unabhängig von ihrer Messung existieren.

Die Quantenmechanik und das Universum

  • Quantenfeldtheorie und die Vereinigung der Kräfte: Die Weiterentwicklung der Quantenmechanik führte zur Formulierung der Quantenfeldtheorie, die eine Rahmenstruktur für die Beschreibung aller bekannten fundamentalen Kräfte (außer der Gravitation) bietet und zur Entwicklung des Standardmodells der Teilchenphysik beitrug.
  • Quantenverschränkung und Information: Die Entdeckung der Quantenverschränkung, bei der Teilchen in einem Zustand verbunden sind, in dem die Messung eines Teilchens sofort den Zustand des anderen bestimmt, egal wie weit sie voneinander entfernt sind, hat zu neuen Forschungsgebieten geführt, darunter die Quanteninformationstheorie und die Quantenteleportation.

Das Plancksche Wirkungsquantum in der modernen Physik

In der modernen Physik spielt das Plancksche Wirkungsquantum in vielen Bereichen eine entscheidende Rolle, unter anderem in der Halbleiterphysik, die die Grundlage für elektronische Geräte wie Computer und Mobiltelefone bildet. Auch in der Laserphysik mit ihren Anwendungen in der Medizin, der Kommunikationstechnologie und in zahlreichen industriellen Prozessen spielt es eine zentrale Rolle.

Das Plancksche Wirkungsquantum öffnet auch weiterhin Türen zu neuen Forschungsgebieten, darunter die Quantenkryptographie, die wegen ihrer potenziellen Unbrechbarkeit für eine sichere Kommunikation erforscht wird. Ein weiteres spannendes Gebiet sind Quantencomputer, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik beruhen und Probleme lösen könnten, die für herkömmliche Computer unlösbar sind. Schauen wir uns nun im Detail an, was mit dem Planckschen Wirkungsquantum künftig alles möglich wird.

1. Quantencomputer

Quantencomputer stellen eine revolutionäre Art der Informationsverarbeitung dar, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik beruht. Im Gegensatz zu klassischen Computern, die Informationen in binärer Form (Bits) verarbeiten, verwenden Quantencomputer Quantenbits oder Qubits, die gleichzeitig verschiedene Zustände annehmen können. Diese Überlagerungseigenschaft in Verbindung mit der Verschränkung ermöglicht es Quantencomputern, komplexe Berechnungen wesentlich schneller durchzuführen als ihre klassischen Pendants. Die Forschung auf diesem Gebiet könnte zu Durchbrüchen in der Kryptographie, den Materialwissenschaften, der Pharmazie und anderen Bereichen führen.

2. Quantenkryptographie

Ein weiteres spannendes Forschungsgebiet ist die Quantenkryptographie, die sich die Prinzipien der Quantenmechanik zunutze macht, um absolut sichere Kommunikationswege zu schaffen. Durch die Nutzung der Quantenverschränkung und der Unbestimmtheit kann die Quantenkryptographie gewährleisten, dass jeder Versuch, eine Nachricht abzufangen, sofort erkannt wird. Diese Technologie hat das Potenzial, die Sicherheit der digitalen Kommunikation grundlegend zu verändern.

3. Quantensensoren

Quantensensoren nutzen quantenmechanische Effekte, um Messungen mit bisher unerreichter Präzision durchzuführen. Diese Sensoren könnten in Zukunft in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, von der Verbesserung von Navigationssystemen über die Früherkennung von Krankheiten bis hin zur Erforschung neuer Tiefen des Universums. Die Empfindlichkeit dieser Sensoren macht sie zu einem vielversprechenden Werkzeug für die Wissenschaft und darüber hinaus.

Philosophische Auswirkungen der Quantenmechanik

Die Quantenmechanik mit ihren grundlegenden Prinzipien und ungewöhnlichen Phänomenen hat nicht nur die Physik, sondern auch die Philosophie nachhaltig beeinflusst. Die philosophischen Implikationen der Quantenmechanik berühren Fragen der Realität, des Determinismus, der Kausalität und des Bewusstseins. Hier sind einige Schlüsselaspekte, die die philosophische Diskussion rund um die Quantenmechanik beleuchten:

Realität und Beobachtung

Die Rolle des Beobachters: Ein zentrales Thema der Quantenmechanik ist die Rolle des Beobachters. Die Kopenhagener Deutung, eine der ersten und einflussreichsten Interpretationen der Quantenmechanik, postuliert, dass Quantenobjekte nicht unabhängig von ihrer Messung existieren. Dies wirft die Frage auf, inwieweit die Realität unabhängig von unserer Wahrnehmung oder Messung existiert.

Determinismus und Indeterminismus

Unschärfe und Vorhersagbarkeit: Die Heisenbergsche Unschärferelation stellt den klassischen Determinismus in Frage, indem sie besagt, dass bestimmte Paare physikalischer Eigenschaften, wie Ort und Impuls, nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmt werden können. Dies führte zu einer Debatte über die Natur der Realität: Ist das Universum grundsätzlich indeterministisch oder gibt es eine Theorie der „verborgenen Variablen“, die die scheinbare Zufälligkeit erklären könnte?

Kausalität

Quantenverschränkung und Nichtlokalität: Die Quantenverschränkung, bei der Teilchen in einem Zustand miteinander verbunden sind, in dem die Messung an einem Teilchen sofort den Zustand des anderen Teilchens beeinflusst, unabhängig von der Entfernung, stellt die traditionellen Vorstellungen von Kausalität und Lokalität in Frage. Dies hat zu Diskussionen darüber geführt, ob die Quantenmechanik eine Form von „spukhafter Fernwirkung“ (Einsteins Beschreibung) zulässt und was dies für unsere Vorstellungen von Raum und Zeit bedeutet.

Bewusstsein und Quantenmechanik

Das Bewusstsein als Auslöser des Kollapses: Einige Interpretationen der Quantenmechanik, wie die von John von Neumann und Eugene Wigner, legen nahe, dass das Bewusstsein des Beobachters notwendig ist, um die Wellenfunktion eines Quantensystems zum Kollaps zu bringen und eine definitive Realität zu schaffen. Diese Idee hat zu zahlreichen Spekulationen und Debatten über den Zusammenhang zwischen Quantenmechanik und Bewusstsein geführt.

Multiversen und viele Welten

Die Viele-Welten-Interpretation: Hugh Everett III schlug die Viele-Welten-Interpretation der Quantenmechanik vor, nach der alle möglichen alternativen Geschichten und Zukünfte real sind und in einer riesigen Sammlung von Multiversen existieren. Diese Sichtweise eliminiert die Notwendigkeit von Wellenfunktionskollapsen und stellt stattdessen vor, dass bei jeder quantenmechanischen Messung das Universum in eine Reihe von Paralleluniversen zerfällt.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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