Kapitel 06 · Die Wissenschaft

Quanten & die große Debatte

Hier liegt die große Ironie in Einsteins Leben. Er war einer der Begründer der Quantentheorie – sie brachte ihm den Nobelpreis ein –, und doch konnte er die seltsame, vom Zufall regierte Welt, die sie enthüllte, nie akzeptieren. Dreißig Jahre lang stritt er mit ihr und verlor die meisten Auseinandersetzungen. Doch seine Einwände waren so tief, dass sie die Physik bis heute prägen.

Der Mann, der das Licht körnig machte

In seiner Arbeit über den Photoeffekt von 1905 schlug Einstein vor, dass Licht keine glatte Welle ist, sondern ein Strom einzelner Energiepakete – Quanten, später Photonen genannt. Die Energie jedes Photons hängt allein von der Frequenz des Lichts (seiner Farbe) ab, nicht von seiner Helligkeit: E = hf.

Das erklärte ein Rätsel, an dem jede Wellentheorie scheiterte: warum schwaches blaues Licht Elektronen aus einem Metall schlagen kann, helles rotes aber nicht. Es war, in seinen eigenen Worten, „sehr revolutionär“ – und brachte ihm den Nobelpreis 1921 ein.

Quellen:
  1. Wikipedia: Photoelektrischer Effekt.
  2. Wikipedia: Photon.

Probiere es selbst

Der Photoeffekt

Bestrahle ein Metall mit Licht. Unterhalb einer bestimmten Frequenz passiert nichts, egal wie hell. Darüber fliegen sofort Elektronen heraus. Schiebe die Farbe von Rot Richtung Ultraviolett und finde die Schwelle.

Deine Vorhersage

Das Licht liegt schon über der Schwelle, Elektronen fliegen heraus. Jetzt machst du es blauer, also mit höherer Frequenz, aber mit gleich vielen Lichtquanten pro Sekunde. Was ändert sich bei den Elektronen?

Interaktiv · Quantenphysik

Licht vs. Elektronen

—
Kinetische Energie der herausgelösten Elektronen: 0 eV

Die Schwelle ist hier für ein natriumähnliches Metall eingestellt (Austrittsarbeit ≈ 2,3 eV). Beachte, dass die Helligkeit nirgends in die Rechnung eingeht – allein die Frequenz entscheidet, ob Elektronen entkommen. Das ist die Quanten-Überraschung.

Auflösung

BJedes Elektron fliegt mit mehr Energie heraus.

Licht kommt in Portionen, den Photonen, und die Energie eines Photons hängt nur von der Frequenz ab. Blaueres Licht hat energiereichere Photonen; was nach dem Herauslösen übrig bleibt, nimmt das Elektron als Bewegungsenergie mit. Wie viele Elektronen herauskommen, hängt dagegen von der Zahl der Photonen pro Sekunde ab (bei gleicher Farbe: von der Helligkeit). Unter der Schwelle hilft auch helleres Licht nicht. So erklärte Einstein 1905 den Photoeffekt; vor allem dafür erhielt er den Nobelpreis für Physik 1921.

Für Neugierige: die Rechnung

Bewegungsenergie E = h · f − W mit h ≈ 4,14 · 10⁻¹⁵ eV·s und der Austrittsarbeit W = 2,3 eV. Bei 6 · 10¹⁴ Hz: 2,48 eV − 2,3 eV ≈ 0,18 eV. Bei 10 · 10¹⁴ Hz: 4,14 eV − 2,3 eV ≈ 1,84 eV.

Quelle: Wikipedia: Photoelektrischer Effekt

Aufträge0 von 2 erledigt

  • Finde die Schwelle: die niedrigste Frequenz, bei der gerade eben Elektronen herauskommen.
  • Stell eine Frequenz ein, bei der die Elektronen mit mindestens 2 eV herausfliegen.
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Quellen:
  1. Wikipedia: Photoelektrischer Effekt – Austrittsarbeit und Grenzfrequenz.

Weitere Quanten-Geschenke

Einsteins Beiträge zur Quantentheorie reichten weit über 1905 hinaus.

Laser

1916 beschrieb er die stimulierte Emission – ein Photon löst ein zweites, identisches aus. Jahrzehnte später wurde dies zum Prinzip hinter jedem Laser.

Bose-Einstein-Kondensat

Mit Satyendra Nath Bose sagte er einen seltsamen neuen Materiezustand nahe dem absoluten Nullpunkt voraus. 1995 wurde er endlich im Labor erzeugt – und brachte seinen Schöpfern den Nobelpreis.

Welle-Teilchen-Dualismus

Seine Arbeit half zu zeigen, dass Licht – und Materie – sich zugleich als Welle und Teilchen verhalten, ein Eckpfeiler der modernen Physik.

Quellen:
  1. Stimulierte Emission; Bose-Einstein-Kondensat.

„Gott würfelt nicht“

Niels Bohr und Albert Einstein im vertieften Gespräch, fotografiert von Paul Ehrenfest um 1925
Einstein und Niels Bohr, um 1925. Ihre gutgelaunten, aber tiefgründigen Debatten über die Quantentheorie sind in der Physik legendär.Bild: Paul Ehrenfest. Gemeinfrei, über Wikimedia Commons (Quelle)

Bis Ende der 1920er war die Quantenmechanik zutiefst wahrscheinlichkeitsbasiert geworden: Sie konnte die Chance vorhersagen, wo ein Elektron zu finden ist, nie aber eine eindeutige Antwort. Für Einstein war das unerträglich. Er glaubte, eine vollständige Theorie müsse eine bestimmte Wirklichkeit beschreiben, nicht bloß Wahrscheinlichkeiten.

Auf den berühmten Solvay-Konferenzen lieferte er sich Wortgefechte mit Niels Bohr und ersann raffinierte Gedankenexperimente, um die Quantentheorie aufs Glatteis zu führen. Bohr fand, mitunter nach einer schlaflosen Nacht, auf jeden einzelnen eine Antwort. „Gott würfelt nicht“, beharrte Einstein; 1926 schrieb er an Born: „Jedenfalls bin ich überzeugt, dass der nicht würfelt.“ In Bohrs eigenem späteren Bericht warnte er davor, der Vorsehung in der Alltagssprache Eigenschaften zuzuschreiben. Der Spruch „Einstein, hören Sie auf, Gott vorzuschreiben, was er zu tun hat“ ist eine spätere Nacherzählung, kein belegtes Zitat.

Das Gruppenfoto der Solvay-Konferenz von 1927; siebzehn der neunundzwanzig Teilnehmer waren oder wurden Nobelpreisträger
Die Solvay-Konferenz 1927 in Brüssel – wohl die außergewöhnlichste Versammlung von Köpfen in der Geschichte der Wissenschaft. Einstein sitzt in der Mitte der vordersten Reihe.Bild: Benjamin Couprie, Institut International de Physique Solvay. Gemeinfrei, über Wikimedia Commons (Quelle)
Die Quantenmechanik ist sehr achtunggebietend. Aber eine innere Stimme sagt mir, dass das doch nicht der wahre Jakob ist.Albert EinsteinBrief an Max Born, 4. Dezember 1926
Quellen:
  1. Wikipedia: Bohr-Einstein-Debatte.
  2. Niels Bohr: Discussion with Einstein (1949, englisch); Wikiquote: Albert Einstein (Brief an Born, 4. Dezember 1926).
  3. Wikipedia: EPR-Paradoxon; Quantenverschränkung.