Am Ende des 19. Jahrhunderts waren scheinbar alle wesentlichen Zusammenhänge zur Erklärung der Welt verstanden: Man wusste, wie Gegenstände sich verhalten, wenn sie zusammentreffen, konnte die Statik von Eisenbahnbrücken berechnen und schien zu verstehen, wie Energie zwischen verschiedenen Erscheinungsformen umgewandelt wurde. Sogar die Radioübertragung mithilfe von elektromagnetischen Wellen gelang und Vorhersagen der Planetenbewegungen glückten mit hoher Genauigkeit.
Doch es liegt in der Natur der Wissenschaft, immer genauer hinzuschauen und Abweichungen zwischen den theoretischen Vorhersagen und den dazugehörigen Beobachtungen zu hinterfragen. Ganz exakt war die Bahn des Planeten Merkur nämlich doch nicht erklärbar, und eine (historisch erst später durchgeführte) Messung der Position von Sternen nahe der Sonne hätte mit den Vorhersagen der Physik von 1900 nicht übereingestimmt. Albert Einsteins Arbeiten zur Relativitätstheorie führten zur bis heute gültigen Erweiterung der Gravitationstheorie von Isaac Newton. Und auch im Reich der kleinsten Bestandteile unserer Welt kündigte sich eine Revolution an.
Kurz vor Weihnachten 1900 stellte Max Planck auf einer Tagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft eine Methode vor, mit der die genaue Zusammensetzung des Lichts berechnet werden kann, das von einem heißen Körper ausgesandt wird – die Formel für die „Schwarzkörperstrahlung“. In der Formel tauchte ein mathematischer Ausdruck auf, der die Frequenz des Lichts mit der Energie in Zusammenhang brachte. Plancks Interpretation: Licht kommt in Paketen vor, deren Energie einzig von der Frequenz und damit von der Farbe des Lichts abhängt. Helleres Licht besitzt nach dieser Vorstellung mehr dieser Pakete, die wir heute Photonen nennen, wobei die Energie der einzelnen Pakete bei hellem und weniger hellem Licht gleicher Farbzusammensetzung unverändert bleibt.
Was zunächst unspektakulär klingen mag, hat viele weitreichende Folgen. Eine davon erkannte Albert Einstein bereits kurz nach Plancks Entdeckung: den photoelektrischen Effekt, der Solarstrom und Digitalkameras ermöglicht. Eine Grundaussage der Quantenphysik ist, dass es einen festen und ganz einfachen Zusammenhang zwischen der Energie eines solchen Pakets und seiner Schwingungsfrequenz gibt. Die Energie eines Photons entspricht seiner Frequenz multipliziert mit einem konstanten Wert, dem Planckschen Wirkungsquantum.
In der Physik geht es munter durcheinander: Mal wird von Frequenz, mal von Wellenlänge des Lichts gesprochen. Das geht, weil der Zusammenhang zwischen beiden ganz einfach ist: Teilt man die Lichtgeschwindigkeit c durch die Frequenz f, erhält man die Wellenlänge λ, kurz λ=c/f .
Die Planck-Formel E=h⋅f ist ähnlich einfach, und stellt den Zusammenhang zur Energie der Photonen her.
Bitte nicht nachmachen: Wirft man leichte (rote) Bälle gegen eine Fensterscheibe, passiert im besten Fall nichts – egal wie oft man den Versuch wiederholt. Nur der große, schwere (blaue) Ball führt eine Änderung des Zustands herbei – die Fensterscheibe zerbricht. Analog gilt dies für Photonen und Elektronen beim Photoeffekt: Die Energie langwelliger Photonen (also der kleinen Bälle) reicht nicht aus, um ein Elektron aus dem Atomverband herauszulösen. Kommt jedoch ein Photon mit ausreichender, passender Energie (hier der große blaue Ball), wird es absorbiert und das Elektron kommt frei. Zwei rote Photonen haben eben nicht den gleichen Effekt wie ein blaues.
Versuchsaufbau zum photoelektrischen Effekt. Bei der Gegenfeldmethode trifft Licht auf den Minuspol einer Photozelle und löst durch den Photoeffekt Elektronen aus ihr heraus. Diese werden am Pluspol aufgefangen. Je nachdem, welche Farbe der Monochromator (ein Farbfilter) hindurchlässt, werden keine Elektronen (rotes Licht) oder nur Elektronen geringer Energie (grünes Licht) herausgeschleudert. Die größte Energie haben Elektronen, die durch blaues Licht aus der Kathode geschlagen werden. Die Energie wird gemessen, indem man die Spannung zwischen Auffanganode und Photokathode so einrichtet, dass gerade keine Elektronen dagegen ankommen, also kein Photostrom fließt. Je blauer das Licht ist, desto höher muss die Gegenspannung dafür eingestellt werden.
In unserer Alltagswelt bemerken wir nicht, dass Pakete von Energie und Teilchen, eben Quanten, ausgetauscht werden. Für uns wirkt alles kontinuierlich, also ohne Sprünge oder Schritte. Daher hat es auch bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts gedauert, bis quantisierte Phänomene überhaupt aufgefallen sind und die Physik der Pakete, eben die Quantenphysik, entwickelt wurde. Der Begriff „Quant“ kommt vom lateinischen „Quantum“, was in diesem Zusammenhang am besten mit Menge oder Anzahl übersetzt werden kann. Jeder Vorgang in der Natur wird durch den Austausch solcher Quanten beschrieben, und diese Quanten haben feste Werte, die nicht beliebig klein werden können.
Diesen Zwang zu einem bestimmten Wert lässt sich mit einer Treppe veranschaulichen: Steigt man die Treppe hinauf oder hinab, so kann man nur ganze Schritte gehen, nicht aber halbe oder drittel Stufen nehmen. Eine einzelne Stufe ist in dieser Veranschaulichung ein Quant. Der berühmte „Quantensprung“, der so oft genannt wird, ist also die kleinstmögliche Veränderung eines Quantensystems (man kann den gewaltig klingenden Quantensprung im allgemeinen Sprachgebrauch wohl besser so interpretieren, dass er so revolutionär ist wie der Sprung von der klassischen Mechanik zur Quantenmechanik). In einer nicht-quantisierten Welt, also einer Welt mit klassischer Physik und ohne Quantenphysik, hätte man in diesem Bild statt einer Treppe eine Rampe.
Quanteneffekte werden jedoch erst wirksam, wenn man sich in der Welt der Atome umsieht. Bei größeren Objekten oder energiereicheren Vorgängen sind immer mehrere Quanten beteiligt, sodass die Stufen im Vergleich zum gesamten Vorgang unmerklich klein werden. Das ist etwa vergleichbar damit, dass ein Fernsehbild aus der Nähe betrachtet aus einzelnen Bildpunkten besteht, bei großem Abstand sich diese aber zu klar erkennbaren „glatten“ Bildern von Menschen und Gegenständen zusammensetzen. Erst wenn man so genau hinsieht, dass man die „Bildpunkte der Welt“ erkennt, treten die erstaunlichen quantenmechanischen Effekte zutage, die etwa erlauben, dass Teilchen durch eine Wand hindurchtunneln.
