Was sind Quanten?

Die Wörter „Quantum“ (Einzahl) und „Quanten”(Mehrzahl) wird benutzt, um die kleinste mögliche Menge einer physikalischen Größe zu bezeichnen. Obwohl das Wort „Quanten“ auch schon vorher in der Physik genutzt wurden, wurden es erst richtig bekannt, als Physiker und Physikerinnen am Anfang des 20. Jahrhunderts begannen, die atomare Welt zu erforschen.
Die erste große Überraschung und gleichzeitig der Anfang einer neuen Quanten-Ära in der Forschung kam, als Max Planck und Albert Einstein feststellten, dass das Licht (oder genauer gesagt die elektromagnetische Strahlung) aus (sehr) kleinen Klumpen von Energie besteht. Diese kleinen Klumpen nannte Einstein Lichtquanten.
Vor Planck und Einstein wurde das Licht als ein elektromagnetisches Phänomen beschrieben: Es wurde angenommen, dass das Licht eine elektromagnetische Welle ist. Die Energie bzw. die Intensität des Lichts wurden zuerst mit der maximalen Auslenkung (Amplitude) der Welle in Zusammenhang gebracht. Diese maximale Auslenkung kann man sich am besten anhand einer Welle in einem See vorstellen: Die maximale Auslenkung beträgt die Hälfte der Höhendifferenz zwischen einen Wellenberg und einem Wellental. Wie bei Wasserwellen können auch die elektromagnetischen Wellen einen beliebig kleinen oder großen Unterschied zwischen einem Wellenberg und einem Wellental haben. Dies ist der Grund, wieso vor der Arbeit von Planck und Einstein angenommen wurde, dass die Energie des Lichts beliebig klein gemacht werden kann und sich kontinuierlich über den gesamten Raum ausbreitet.
Wie wir heute wissen, besteht das Licht aber aus kleinen Klumpen an Energie, auch Lichtquanten oder Photonen genannt.  Der wichtigste Unterschied ist, dass es eine kleinste Menge an Energie (die Energie eines einzelnen Quantums) gibt und dass diese Energie von der Farbe (oder auch Frequenz) des Lichts abhängt. Die Intensität oder auch Gesamtenergie des Lichts ist dann die Summe der Energien der Quanten: Je heller das Licht, umso mehr Lichtquanten (Photonen) werden aus der Quelle ausgestrahlt.
Wieso sehen wir diese kleinen Klumpen von Licht nicht als kleine Punkte an der Wand, wenn wir im Alltag das Licht einschalten? Der Grund, weshalb dies nicht passiert, ist die unglaublich kleine Energie der Lichtquanten – oder andersherum ihre sehr große Anzahl. Zum Beispiel strahlt eine 100 Watt Glühbirne jede Sekunde etwa fast so viele Lichtquanten aus wie die Anzahl aller Sterne im Universum (eine Zahl mit 20 Nullen)!
In den letzten Jahren wird das Wort „Quanten“ sehr häufig benutzt, z.B. in Wörtern wie „Quantentechnologien“ oder „Quantencomputer“, um meistens Bezug zu modernen Entwicklungen in der Quantentheorie hervorzuheben. In der Physik bezeichnen aber Quanten immer noch die Lichtquanten von Albert Einstein.

Priv. Doz. Dr. Karol Kovařík

Institut für theoretische Physik