Die wichtigsten Fakten zur Quantenphysik

Das Jahr 2025 wurde von den Vereinten Nationen zum Jahr der Quantenwissenschaften und -technologien erklärt. Die Quantenphysik, deren theoretischen Fundamente vor genau 100 Jahren gelegt wurden, hat unser Verständnis der Welt revolutioniert und beeinflusst heutzutage viele Aspekte unseres täglichen Lebens. Wir haben bei Prof. Klaus Richter nachgefragt, was es mit der Quantenmechanik genau auf sich hat. Klaus Richter ist seit 2001 Professor an der Universität Regensburg mit Forschungsschwerpunkten zu komplexen Quantensystemen und der Theorie der kondensierten Materie. Er war Sprecher des DFG-Sonderforschungsbereichs „Emergente relativistische Effekte in der Kondensierten Materie“ und ist seit März 2024 Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, der größten und ältesten physikalischen Fachgesellschaft der Welt. Vom 16. bis 21. März 2025 findet erneut deren große Frühjahrstagung in Regensburg statt, bei der auch verschiedenste Facetten der Quantenphysik im Vordergrund stehen. Die Tagung mit etwa 5000 Teilnehmenden aus dem In- und Ausland ist der größte Physikkongress Europas.

Herr Prof. Richter, wie erklären Sie Nichtwissenschaftlern den Begriff „Quantenphysik“?

Dazu muss man zunächst erklären, was „Quanten“ sind:
Die Eigenschaften physikalischer Objekte werden durch physikalische Größen beschrieben, wie beispielsweise die Energie. In der klassischen Physik variiert die Energie kontinuierlich. In der Quantenphysik dagegen ist die Energie auf diskrete Werte beschränkt, sie wächst stufenförmig. Die Energie ist ein Vielfaches von kleinsten, klar definierten „Energieportionen“, den Quanten. 

Wenn nun Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung, wozu das Licht gehört, übertragen wird, so geschieht das entsprechend in Form von kleinen Lichtquanten, den Photonen. Es gibt aber nicht nur „die einen“ Energie-Quanten, sondern je nach physikalischer Größe auch andere Arten von Quanten, z.B. für Molekülschwingungen, für die elektrische Leitfähigkeit oder für magnetische Eigenschaften.

Die Vereinten Nationen haben das Jahr 2025 zum Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und - technologie erklärt. Was ist das Ziel?

Das Quantenjahr 2025 umfasst ein ganzes Jahr, welches der Quantenphysik gewidmet ist. Wir feiern deren Erfolge und Zukunftsperspektiven. Es steht außer Zweifel: Die Quantentheorie gehört zu den großen fundamentalen Erkenntnissen der Menschheit über die Welt, in der wir leben. Die Quantenphysik beeinflusst unser aller Leben mannigfach, mit allen Chancen und Risiken. Durch das Quantenjahr soll daher allen näher gebracht werden, was es mit Quantenphysik auf sich hat, wo sie überall eine Rolle spielt, aber insbesondere auch, welche Möglichkeiten die Quantenphysik noch zukünftig eröffnen könnte.

Wie beeinflussen die Quantenwissenschaften unser tägliches Leben bereits heute?

Was als wenig anschauliche Theorie 1925 begann, ist mittlerweile aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Die Quantenmechanik ist schon lange praktische Grundlage der gesamten Informationstechnologie, die unsere Wirtschaft dominiert. Verschiedenste Technologien unseres täglichen Lebens, die ohne Quantenphysik undenkbar wären, spielen in unterschiedlichsten gesellschaftlichen Bereichen eine Schlüsselrolle: Dazu gehören praktisch die gesamte Mikroelektronik, also von Halbleiter-Chips in Handys und Computern bis hin zu Speichermedien, der Einsatz von Technik gegen den Klimawandel, von der Photovoltaik als regenerativer Energiequelle bis hin zu energiesparenden LEDs, sowie Anwendungen der Quantenphysik in der Medizin: von Laseranwendungen bis hin zur Kernspintomographie. Aber beispielsweise auch Atomuhren zur hochpräzisen Zeitmessung, auf die wir angewiesen sind. Alle diese Technologien unseres Alltags beruhen auf Quantenphysik.

Welche historischen Meilensteine haben zur Entwicklung der Quantenwissenschaften geführt?

In der Zeit vor 1925 wuchs die Zahl der physikalischen Rätsel, die sich nicht mithilfe der bis dato existierenden klassischen Physik erklären ließen. Diese klassische Mechanik beschreibt die makroskopische Welt um uns herum, von der Bewegung der Planeten bis hin zur Sandlawine. Sie versagt aber im Mikrokosmos. Die Quantenphysik füllt diese Lücke auf kleinsten Längenskalen und beschreibt das Verhalten und die Wechselwirkung von Molekülen, Atomen und noch kleineren Teilchen aus denen diese bestehen.

Die Geburtsstunde der Quantenphysik wird Max Planck zugeschrieben, der vor 125 Jahren, also im Jahr 1900, in Berlin seine berühmte Quantenhypothese aufstellte, nach der Energie im Mikrokosmos in gequantelten Portionen auftritt. Damit konnte er ein wichtiges Strahlungsgesetz in Einklang mit Beobachtungen bringen. Wenige Jahre später verwendete Einstein dann diese Lichtquanten-Hypothese, um den Fotoeffekt zu erklären, der die Grundlage der heutigen Fotovoltaik bildet.

Und vor genau 100 Jahren, im Jahr 1925, wurden die grundlegenden Gesetze der Quantenmechanik zum ersten Mal formuliert. Und das, mit einem Paukenschlag, innerhalb kürzester Zeit und bemerkenswerterweise unter Mitwirkung mehrerer junger Physiker wie Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli und Paul Dirac im Alter unter 25 Jahren. Heutzutage wären sie noch Physikstudenten.

Nach der initialen Arbeit von Heisenberg folgten im selben Jahr 1925 zwei weitere Arbeiten von Max Born und Pascual Jordan und gemeinsam von allen drei Autoren. In diesen drei Arbeiten aus Göttingen wurden grundlegende Gesetze der Quantenmechanik zum ersten Mal formuliert. Diese Veröffentlichungen markieren den Beginn einer Ära, die unsere gesamte Welt verändern sollte. Und was in Göttingen im Jahr 1925 begann, wurde in Windeseile in Europa und international aufgegriffen. Physiker wie Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli, Paul Dirac und Niels Bohr lieferten umgehend weitere bahnbrechende Beiträge zur Quantenmechanik. Und in den weiteren Jahrzehnten bis heute lassen sich zahllose weitere Durchbrüche in der Quantenphysik benennen, die diese zu dem gemacht haben, was sie heute darstellt.