Quantenköpfe

Marie Slodowska Curie gilt durch ihre Erforschung der Radioaktivität als Pionierin der modernen Physik und trug mit ihren Entdeckungen wesentlich zur Entwicklung der Quantenphysik bei. Basierend auf Arbeiten von Antoine Henri Becquerel will Curie 1895 die Strahlung von Uransalzen erforschen. Uran ist das schwerste natürlich vorkommende Element. Derzeit unerforscht: der Ursprung der Strahlung. Marie Curie kann gemeinsam mit ihrem Mann Pierre Curie zunächst zeigen, dass es die Uranatome selbst sind, die diese Strahlung aussenden. Sie sind „radioaktiv”.
Unermüdlich forscht Marie Curie weiter, zunächst jahrelang unter widrigen Laborbedingungen und ohne Forschungsmittel. Schließlich erzielt das Ehepaar 1898 einen weiteren Durchbruch: Es gelingt ihnen aus Uranerz, das sie als Abfallprodukt aus Bergwerken erhalten, zwei vollständig neue Elemente zu isolieren. Diese stammen aus dem radioaktiven Zerfall von Uran. Die eine Substanz nennt Marie Curie Radium, die andere Polonium. Diese Entdeckungen zeigen etwas, was heute in der modernen Physik als selbstverständlich gilt: Atome bestehen aus kleineren Bausteinen und können sich umwandeln. Dies wird später als quantenmechanisches Phänomen beschrieben. Quantenphysiker wie Niels Bohr und Erwin Schrödinger bauen auf diesen Erkenntnissen auf.
Marie Curie erhält 1903 (gemeinsam mit Becquerel und ihrem Mann) als erste Frau weltweit den Nobelpreis in Physik und 1911 einen weiteren in Chemie.

Max Planck ist der Erfinder der Quanten. Er nutzte das Konzept erstmals im Jahr 1900, um zu beschreiben, dass Energie in Form von winzigen, nicht mehr teilbaren Paketen übertragen wird. Damit legte Planck die Grundlage für die moderne Quantenphysik. Wie kam es dazu? Planck wollte erklären, warum Stoffe Licht abstrahlen, wenn man sie erhitzt, und wie sich die Farbgebung mit der Temperatur ändert. Metall glüht zum Beispiel, wenn es erhitzt wird. Je heißer es wird, desto weniger Rot und desto mehr Blau enthält das Licht. Dieses Phänomen konnte Planck aber nicht mit den Mitteln der klassischen Physik beschreiben. Sollten seine Experimente mit den Berechnungen übereinstimmen, blieb nur eine Lösung: die abgestrahlte Energie in winzige Pakete, in Quanten, einzuteilen. Für diese Einteilung benutzte er eine Konstante, das Planck‘sche Wirkungsquantum h. Mit seiner Formel E = h ⋅ f konnte Planck nun die Größe eines einzelnen Energiepakets, die mit der Farbe bzw. der Lichtfrequenz (den Schwingungen pro Sekunde) zusammenhängt, bestimmen.

Lise Meitner gilt als Entdeckerin der Kernspaltung und ihre Arbeit trug (leider auch) zur Entwicklung der Atombombe bei. Als Frau in der Wissenschaft gelingt ihr für ihre Zeit ein einmaliger Aufstieg als Physikerin: So wird sie 1926 die erste Physikprofessorin Deutschlands. Gemeinsam mit dem Chemiker Otto Hahn forscht sie über 30 Jahre an der Erzeugung und Entdeckung neuer radioaktiver Elemente. Doch 1933 wird ihr vom nationalsozialistischen Regime die Lehrerlaubnis wieder entzogen. Ihre Österreichische Staatsbürgerschaft schützt sie bis 1938. Danach ist sie als Jüdin sehr gefährdet und entkommt nach Schweden. Im Exil forscht sie mit Hahn durch ständige Briefwechsel weiter. Eine Beobachtung, die Hahn und Fritz Strassmann beim Beschuss von Uran mit Neutronen 1938 machen, erkennt Meitner als Kernspaltung des Urankerns in bekannte chemische Elemente. Wenige Wochen später erscheint ihre Theorie der Kernspaltung. In der Nachkriegszeit erhält Meitner u.a. dafür zahlreiche Ehrungen. Für die Entdeckung der Kernspaltung wird 1944 aber nur Hahn der Chemie-Nobelpreis verliehen – für die physikalische Erklärung bekommt Lise Meitner ihn nicht, das gilt heute als ungerechtfertigt.

Werner Heisenberg gilt als Begründer der Quantentheorie bzw. der Quantenmechanik. Im Juni des Jahres 1925 kuriert Heisenberg auf der deutschen Hochseeinsel Helgoland einen starken Heuschnupfen aus und gelangt dort zu seinen bahnbrechenden Ideen, für die er u.a. 1932 den Nobelpreis in Physik erhalten wird. Lange schon grübelt Heisenberg über das kuriose Verhalten von Elektronen in Atomkernen nach: Dort hüpfen die subatomaren Teilchen zwischen verschiedenen Bahnen hin und her. Noch ist dieses Phänomen ein physikalisches Rätsel und Heisenbergs Berechnungen mit den Formeln der traditionellen Physik enden im Zahlenchaos. Während seiner Kur trifft ihn dann – so überliefert es die populäre Geschichtsschreibung – der Geistesblitz: Er gibt die Gesetze der klassischen Mechanik für das Innere von Atomen auf, denn Elektronen kreisen nicht um den Atomkern wie Planeten um die Sonne. Jetzt gelingt ihm auch die mathematische Beschreibung seiner Theorie. Zwei Jahre später formuliert er das berühmte Unbestimmbarkeitsprinzip der Quantenmechanik: Bestimmte Größen lassen sich nicht gleichzeitig exakt messen – wie etwa Ort und Geschwindigkeit eines Elektrons.

Maria Goeppert-Mayer hat das noch heute gültige Modell des Atomkerns entwickelt und konnte erstmals erklären, warum einige Kerne besonders stabil sind. Zuvor wurden Kerne mit bestimmten Anzahlen von Protonen oder Neutronen (2, 4, 20, 28, 50, 82 …) als „magische“ oder sogar „doppelt magische“ Kerne bezeichnet. 1963 wird Goeppert-Mayer als zweite Frau überhaupt – 60 Jahre nach der Ehrung von Marie Curie – dafür mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Dabei beschäftigt sie sich im Laufe ihrer Karriere erst spät mit Kernphysik. Zunächst studiert sie Mathematik, wechselt dann zur Physik und emigriert in den 1930er-Jahren mit ihrem Mann, dem Chemiker Joseph Mayer, in die USA. Dort darf sie jedoch gesetzlich keine Stelle an derselben Universität wie ihr Mann annehmen. Daher forscht und lehrt sie unentgeltlich weiter, während ihr Mann Professor an der Johns-Hopkins-Universität wird. Erst 1946 beginnt sie, sich mit den magischen Zahlen auseinanderzusetzen. Sie bestimmt die Energien der einzelnen Kernbausteine und stellt fest, dass diese sich auf sogenannten Schalen anordnen, die jeweils bei den magischen Zahlen vollständig besetzt sind.
Mit diesem Kernschalenmodell geht Goeppert-Mayer in die Physikgeschichte ein.
Ihre erste vollbezahlte Professur an der University of California erhält sie dennoch erst im Alter von 53 Jahren, wenige Jahre vor dem Nobelpreis.

Wer kennt es nicht, das Gedankenexperiment des österreichischen Physikers und Nobelpreisträgers Erwin Schrödinger, einer der wichtigsten Begründer der modernen Quantenphysik? Sein nach ihm benanntes und 1935 entwickeltes Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“ ist populär: Es sieht eine Kiste mit einer darinsitzenden Katze vor, die aufgrund eines möglicherweise zerfallenden radioaktiven Atoms innerhalb der Kiste solange gleichzeitig lebendig und tot ist, bis die Kiste geöffnet und der Zustand der Katze „gemessen“ wird. Damit verdeutlichte Schrödinger die paradoxen Konsequenzen der Quantenphysik. Seine zentralen Errungenschaften erzielte Schrödinger aber viel früher – insbesondere durch die mathematische Formulierung der Wellenmechanik im Jahr 1926 mittels der „Schrödingergleichung“. Damit konnte er das Verhalten von Elektronen als Wellen beschreiben und die fundamentalen Bewegungsgesetze der Quantenphysik liefern. Auch die Entwicklung der heutigen Halbleitertechnik geht auf die Gleichung zurück. Für seine Wellenmechanik erhielt Erwin Schrödinger 1933 den Physik-Nobelpreis (gemeinsam mit Paul Dirac).