4. Kapitel
DAS DENK- UND SPIELMATERIAL: QUANTEN / WELLEN
„Alles worüber wir reden, alles, was wir für existent halten, setzt Bewusstsein voraus“ (Max Planck 1931)
Bevors richtig losgeht, erst noch das Spielmaterial vorstellen, was sind eigentlich Quanten?
Quanten
„Quant (Quantum): Ein von Max Planck 1900 eingeführter Begriff zur Beschreibung unsichtbarer Energiepakete…“ (Kumar 2009, S. 463). Diese winzigen Elementarteilchen (Partikel / Korpuskeln) können sich auch wellenartig verhalten; in vielen Strahlen und Feldern sind sie ebenfalls vertreten.
Ein erster Vorstellungsversuch: Man kann Quanten als sehr winzige Kugeln, als „Substanz, beschränkt auf ein sehr kleines Volumen“ (Heisenberg 2014, S. 48) und/oder als Wellen d.h. „räumlich ausgebreitet und schwingend“ (Polkinghorne) denken oder sich visualisieren (wer’s kann).
Photonen
Zu den Quanten zählen Photonen, dies sind: „Teilchen oder Quanten des Lichtes und anderer elektromagnetischer Wellen, die als verantwortlich für die Übertragung elektromagnetischer Kräfte angesehen werden können“ (Davies & Brown 1993, S. 263). „Das Photon (ist) ein kleines Bündel elektromagnetischer Wellenenergie“ (Lindley 1997, S. 86).
Für künftige Schach-Quanten-Meister variantenreich zusammengefasst „Photon: Kleinstes Paket des elektromagnetischen Felds; Botenteilchen der elektromagnetischen Kraft; kleinstes Lichtpaket“ (Greene 2000, S. 487).
Ach wie gut, dass niemand weiß…
Quanten spielen mit ihrer Identität, besonders gern spielen sie Wellen. Je nach den Umständen, unter denen sie untersucht werden, imponieren sie auf andere Weise. „Die Tatsache, daß Elektronen, Photonen und andere Quantenteilchen sich manchmal wie Wellen und manchmal wie Teilchen verhalten, ruft oft die Frage hervor, was sie denn nun ‚wirklich‘ seien“ (Davies und Brown 1993, S. 22).
Welle oder Teilchen? Beides oder keines? Und alles dazwischen?
Quanten spielen normalerweise verrückt, besser gesagt, sie halten Beobachter zum Narren. Ihre fragwürdigen Existenzen stellen immer wieder neue Rätsel auf. Ihr Entdecker Max Planck bezeichnete deren theoretische Einführung als „Akt der Verzweiflung“.
Schon Jahrhunderte vorher hatte das Wesen des Lichts den Physikern viele Verständnisprobleme bereitet. Prof. Feynman fasst zusammen (1993, S. 158): „Beginnen wir mit der Geschichte des Lichts. Zunächst nahm man an, es verhalte sich ähnlich wie ein Schauer von Teilchen, von Korpuskeln, etwa wie Regen oder wie Kugeln, die aus einem Gewehr abgefeuert werden. Weitere Forschungen ergaben, daß diese Annahme nicht zutraf, daß sich das Licht vielmehr wie Wellen verhielt, beispielsweise wie Wasserwellen. Die Forschung des 20. Jahrhunderts wiederum gewann den Eindruck, daß sich Licht in vielerlei Hinsicht doch eher wie Teilchen verhielte. Ja, im Photoeffekt konnte man diese Teilchen, die Photonen, wie sie heute genannt werden, sogar zählen. Auch das Verhalten der Elektronen glich, als man sie entdeckte, exakt dem von Teilchen oder Kugeln. Weitere Forschungen jedoch, zum Beispiel die Experimente über die Beugung von Elektronen, zeigten, daß sie sich wie Wellen verhielten. Was Wunder, daß mit der Zeit die Verwirrung wuchs: Hatte man es nun mit Wellen oder mit Teilchen, mit Teilchen oder mit Wellen zu tun? Für die eine Annahme sprach soviel wie für die andere…“
Welle-Teilchen-Dualismus / Materiewellen / Doppelwesen
Man erkannte schließlich, dass diese Doppelnatur nicht nur Licht und Elektronen kennzeichnet. Auch andere Elementarteilchen und sogar ganze Atome verhalten sich manchmal wie Partikel und manchmal wie Wellen. Lassen wir dazu kompetente Kenner der Materie zu Wort kommen – nebenbei ein kleines Nobelpreisträgertreffen.
In seiner Dissertation schlug der Franzose de Broglie 1924 das Verknüpfungskonzept „Materiewellen“ vor, er vermutete „dass jegliche Materie – also wohlgemerkt selbst diejenen Objekte, die wir uns für gewöhnlich als Teilchen denken wie etwa Elektronen – auch wellenartiges Verhalten zeige“ (nach Hey & Walters 1990, S. 51). Damit erzeugte er zunächst Erstaunen, aber Einstein gefiel die Überlegung.
Kumar gibt diese feine Umschreibung: „Materiewelle: Wenn ein Teilchen sich verhält, als ob es Wellencharakter hätte, wird die dieses Teilchen darstellende Welle als Materiewelle oder De-Broglie-Welle bezeichnet“ (2009, S. 461). (1929 erhielt de Broglie den Nobelpreis für Physik. Gute Zusammenfassung zu Materiewellen in Greene 2000, S. 128-130 oder Hey & Walters 1990, S. 51-52.) Manche Autoren verwenden auch den Begriff „Quantenwellen“ (siehe Davies & Gribbin 1993, S. 191).
Nobelpreisträger Weinberg erklärt: „Nach der Quantenmechanik sind Wellen und Teilchen nur zwei Aspekte einer und derselben zugrunde liegenden Wirklichkeit. Das mit einer Welle verbundene Teilchen ist deren Quant“ (1993, S. 171). Licht und andere elektromagnetische Wellen, z.B. Radiowellen, Mikrowellen, Röntgenstrahlung und sogar (feste) Materie sind beides, Wellen und Teilchen, zugleich. Je nachdem in welchem Kontext man sie untersucht, zeigen Materie und Strahlung Wellen- oder Teilchencharakter. Auch beim Schach gibt’s beides.
Demnächst wird’s griffiger.
Dr. Reinhard Munzert
MAX PLANCK UND DIE QUANTEN
in aller Munde, doch kaum verstanden.
Mit Fotoeffekt und Wirkungsquantum
schlägt man sich an jeder Schule herum.
So schön wie von Hölderlin zwar nicht:
Verse zu Wellen, Teilchen und Licht;
Sterne und Mathe mal im Gedicht.
Welle oder Teilchen?
Wir wollen nicht feilschen.
Betrachten wir’s einfach dual,
der Materie ist’s ganz egal.
TEILCHENPHYSIK
Ewig bleibt stehn keine Mauer,
nichts im Weltall ist von Dauer.
So zerfällt nach einem Weilchen
auch noch das kleinste Teilchen.
Nukleonen winzig klein,
der größte Galaxienverein;
was am Himmel sehen wir,
der Mensch und alles Getier –
So schön auch der Bibelbericht,
einen Gott brauchte es wohl nicht.
Von Einstein vorausgesagt –
Wellen gesucht und gefunden.
GRAVITATIONSWELLEN
Schwarze Löcher auf ihrer Tour
suchen Zusammenstöße nur;
auch die Neutronensterne frech,
veranstalten manch Super-Crash.
Die gewaltige Kollision
bringt das Weltall zur Vibration,
in die Raumzeit ein paar Dellen,
dazu Gravitationswellen.
Diese gehen auf die Reise,
zieh’n im Kosmos ihre Kreise.
So erfährt auch unser Planet,
was da draußen vor sich geht.
SCHACH UND ASTRONOMIE
Schach spielen Leute auf der ganzen Welt,
es fasziniert sie auch das Himmelszelt.
Sie blicken zu Mond und Sternen,
sind den Planeten auf der Spur;
reisen zu des Weltalls Fernen,
wenn auch mit Teleskopen nur.
Unterwegs in finsterer Nacht,
im Banne der himmlischen Pracht;
Licht aus, Sterne an, klare Sicht –
viel mehr brauchen sie dazu nicht.
DIE WELT DER STERNE
Deklination und Rektaszension
bestimmen die Sternposition.
Die Parallaxe indessen
hilft uns beim Entfernung messen.
Mehr Erkenntnisse bringt uns dann
das Hertzsprung-Russel Diagramm.
Der Sterne Aufbau und Wesen
an der Stellung abzulesen.
Wir sehen Sterne blau und rot,
neugeboren, auch kurz vorm Tod;
oder uns’rer Sonne ähnlich,
mittelalt und leuchtend gelblich.
Da gibt es Riesen und Zwerge
verschiedenster Leuchtstärke;
Solisten und Mehrfachsterne,
recht nah und in weiter Ferne.
All dieser Sonnen Profession
ist im Innern die Kernfusion.
Eruption und Protuberanz
sind nur oberflächlicher Tanz.
Sternenheimat sind Galaxien,
die mit ihnen durchs Weltall zieh’n.
Meist von Planeten umgeben,
gibt’s ohne Sterne kein Leben.
Die Sterne sind bis zum Ende
Geburtsort der Elemente.
Nach dem Eisen ist damit Schluss,
von den Sternen ein letzter Gruß.
Für Elemente superschwer
muss eine Supernova her.
Der Mensch, ein Kind der Sterne,
betrachtet’s aus der Ferne.
WELTALL – ERDE – MENSCH
Am Anfang war der Urknall,
um uns herum der Nachhall.
Eine Singularität macht Karriere,
die Materie in einem Punkt vereint.
Ein großer Knall beendet die Leere,
das Duo Raum und Zeit erscheint.
Der Materie Vielfalt fächert sich auf,
es bilden sich die Elemente.
Sterne und Planeten entsteh’n zuhauf,
alles in Ausdehnung ohne Ende.
Uns’re Galaxie ist eine von Milliarden,
ein Spiralsystem, keine Besonderheit.
Die Erde hatte die besten Karten,
hier fand das Leben Geborgenheit.
Aus toter Materie ging es hervor,
strebte hin zu höchster Komplexität.
Die Evolution wirkt als ein Motor,
der einfach niemals ins Stocken gerät.
Zahllose Arten entsteh’n und vergeh’n,
bevor der Mensch betritt die Szenerie.
Auch ihn wird man nicht ewig hier seh’n,
das ist die kosmische Dramaturgie.
Der Sonnenschein ist ein Segen,
so kann sich das Leben regen.
Die Sterne in des Kosmos Weiten
sind Lebensquell zu allen Zeiten.
LEBEN IM WELTALL
Sind wir im Universum allein,
ist weit draußen nur totes Gestein?
Zahllose Sterne am Himmel steh’n,
zahllose Planeten daneben.
Sollte man nirgendwo Leben seh’n,
nach höchster Komplexität streben?
Von Mikroben könnte es wimmeln
unter herrlichen Exo-Himmeln.
Sterne entstehen und vergehen,
das ist im All Normalgeschehen.
Wir alle kommen von den Sternen,
wo die Elemente geboren.
Kein Atom in des Kosmos Fernen
geht im großen Zyklus verloren.
So werden in allen Galaxien
Lebenskeime ihre Kreise zieh’n.
Von Schach war jetzt nicht viel zu lesen.
Was spielen wohl die fremden Wesen?
Um Mathe kommt man im Universum
aber sicher in keiner Galaxie herum.
SCHACH UND MATHEMATIK
Wissen aneignen mit Interesse.
Es braucht hier Geist und Akkuratesse,
Konzentration und etwas Finesse.
MATHE-FANS
Sie lieben Summen und Differenzen
genauso wie Wurzeln und Potenzen.
Vektorrechnung und Trigonometrie
wie auch die Algebra begeistern sie.
Differential, Integral – ganz egal,
sie beherrschen infinitesimal.
Sie quadrieren und interpolieren,
wollen ständig mit Zahlen jonglieren.
Sie stehn auf Euklid und Pythagoras,
haben an Logarithmen großen Spaß.
Sie bearbeiten Funktionen versiert,
die Kurvendiskussion wird geführt.
Extremwerte sind gar kein Problem,
sie lösen jedes Gleichungssystem.
Sie führen die kniffligsten Beweise,
berechnen flott Trapeze und Kreise.
Das alles ohne den geringsten Frust,
Mathematik ist ihnen eine Lust.
Schach, Physik, Mathe und Astronomie;
für alles braucht es etwas Fantasie,
vielleicht auch ein bisschen Poesie.
Rainer Kirmse , Altenburg
Herzliche Grüße aus der Skatstadt