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Die Kunst der Quantenphysik—erklärt mit einem Kung Fu-Move

Der Physiker Felix Flicker ist in seiner Freizeit Kung Fu-Kämpfer. Und plötzlich ist auch Quantenphysik ganz einfach.
8.12.14
Felix Flicker. Bild: Paul Blakemore

Quantenphysik ist für Normalsterbliche so unglaublich schwierig zu begreifen, weil unser Vorstellungsvermögen von der Quanten-Realitäten schlichtweg überfordert ist. Und so arg das berühmte Feynman-Zitat auch überstrapaziert ist (ihr wisst schon, „niemand versteht Quantenphysik wirklich"), gibt es hin und wieder doch noch ein paar Menschen, die uns mit anschaulichen Ansätzen die intuitive Quantenphysik erklären. Einer von ihnen ist der Physiker Felix Flicker, dessen zweite Leidenschaft zufälligerweise Kung-Fu ist.

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Der Move, den er im Video vorführt, illustriert eine Quanteneigenschaft namens Spin. Dabei handelt es sich um eine der seltsamsten Partikel-Charakteristika überhaupt, die definitiv auch ein wenig mehr Aufmerksamkeit und Hype verdient hätte. Der Spin hängt mit sogenannten Spinoren zusammen; dabei handelt es sich um Partikel, die mit Elektronen vergleichbar sind. Spinors drehen sich, aber sie drehen sich völlig anders als irgendetwas, das wir Menschen sehen oder uns auch nur vorstellen können.

Ähnlich eines mathematischer Raumes, der ​mehr als drei Dimensionen aufweisen kann, drehen sich auch die Partikel auf ähnliche Weise, die Normalsterbliche selbst mit gymnasialer Physikausbildung nicht so einfach begreifen können: Stell dir die Erde als einen riesigen Spinor vor. Wo immer du bist, wird in den nächsten 24 Stunden die Sonne auf- und auch wieder untergehen. Beides passiert genau einmal, weil die Nicht-Spinor-Erde ja einmal rotiert. Die Spinor-Erde wird sich aber innerhalb von zwei Sonnenaufgängen und Sonnenuntergängen nur exakt einmal um sich selbst gedreht haben.

Ein Spinor, den man sich eigentlich präziser als mathematisches Objekt, denn als reales Objekt vorstellen sollte, ist tatsächlich einmal rotiert, während zwei Rotationen beobachtet werden konnten.

„Stell dir zwei Elektronen in einem Flugzeug vor", ​führt Flicker seine Beschreibung in Physics World aus. „Weil alle Elektronen gleich sind, könnten wir doch unsere zwei Elektronen die Plätze tauschen lassen und alles wäre wie zuvor, oder? Nicht ganz. Elektronen sind Fermionen, daher muss vor der Zweielektronen-Wellenform ein Minuszeichen stehen, sobald die Elektronen ihre Plätze tauschen—beim Tausch werden sie antisymmetrisch."

Ein Fermionenpaar innerhalb eines einzelnen Systems kann man sich dabei folgendermaßen vorstellen: Sie teilen sich eine Wellenlänge, was eigentlich nur bedeutet, dass ein beliebiges Fermionenpaar (so wie Elektronen) perfekte, nicht unterscheidbare Zwillinge sind. Wenn man also jetzt ein einzelnes Partikel dreht (oder einen einzelnen Partikelzustand), dreht man eigentlich zwei Partikel (oder zwei Partikel, die sich denselben Partikelzustand teilen). So sollte das ganze Chaos ein wenig mehr Sinn ergeben.

Allerdings löst diese wohlfeile Erklärunge auch nicht alle offenen Fragen. Und um das zu verdeutlichen, sei hier noch auf einen Lieblings-Sinnspruch aller Spin-Statistiker, aus der Feder des Physikers Michael Atiyah, verwiesen: „Spinors kapiert niemand so richtig. Formal verstehen wir ihre Algebra, aber ihre generelle Bedeutung ist hochgradig mysteriös."