Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften gab am 7. Oktober die Namen der neuen Nobelpreisträger für Physik bekannt. Der Brite John Clarke, der Franzose Michel H. Devoret und der Amerikaner John M. Martinis erhielten die Medaille und 11 Millionen schwedische Kronen (etwa eine Million Euro) „für die Entdeckung des makroskopischen quantenmechanischen Tunnelns und der Quantisierung von Energie in elektrischen Schaltkreisen”.
Die Quantenmechanik ist derzeit eine der kompliziertesten wissenschaftlichen Disziplinen, wenn nicht sogar die komplizierteste überhaupt. Im Gegensatz zur uns bekannten makroskopischen Ebene verhalten sich Atome und subatomare Teilchen völlig anders, als ob sie nicht den Newton'schen Kräften und den Gesetzen der „normalen“ Physik unterliegen würden.
Das Reich der krummen Spiegel
Subatomare Teilchen – vor allem Photonen (Lichtteilchen), in einigen Fällen auch „normale“ Elektronen – weisen einen sogenannten Welle-Teilchen-Dualismus auf. Ein gängiges Experiment zur Beschreibung dieses paradoxen Verhaltens ist das Doppelspaltexperiment.
Das Experiment des Physikers Thomas Young aus dem Jahr 1803 zeigte, dass, wenn Licht durch zwei Spalten hindurchgeht, jede Spalte wie eine Lichtquelle wirkt und sich ihre Wellenlänge beim Auftreffen auf die gegenüberliegende Fläche vervielfacht – dies wird als Interferenz bezeichnet.
Spätere Experimente dieser Art haben jedoch gezeigt, dass sich die erwähnten Elektronen ähnlich verhalten. Obwohl man sie normalerweise als „Teilchen“ wahrnimmt, die nach ihrer Ablösung vom Atom an Effekten wie Verbrennung oder Elektrizität beteiligt sind, entstanden in Youngs Experiment aus einem Elektron scheinbar zwei, die sich anschließend überlagerten.
Ähnlich „unverständlich” ist auch Heisenbergs Unschärferelation. Der historische Nobelpreisträger Werner Karl Heisenberg bewies 1927, dass es bei der Messung der Position eines Teilchens im Raum nicht möglich ist, gleichzeitig seine Geschwindigkeit (Impuls) zu messen und umgekehrt.
Ähnlich bekannt ist auch das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon: Wenn zwei Quantensysteme existieren und Wissenschaftler eine Messung in einem davon durchführen, hat der resultierende Zustand einen unmittelbaren Einfluss auf den Zustand im anderen System. Dies entspricht einer weiteren paradoxen Theorie, die als Quantenverschränkung (Entanglement) bekannt ist. Die Teilchen im untersuchten System können nicht unabhängig voneinander beschrieben werden, sondern nur als Teil des jeweiligen Systems.
Die Quantenmechanik erinnert mit ihren Bizarrheiten letztlich an Werke wie Alice im Wunderland oder Das Reich der krummen Spiegel. Wie Richard Feynman, einer der Pioniere dieser Disziplin, angeblich gesagt hat: „Wenn Sie glauben, die Quantenphysik zu verstehen, dann verstehen Sie sie nicht.“ Es ist daher faszinierend, wenn diese Paradoxien in einem System beobachtet werden können, das mit bloßem Auge sichtbar ist.
Experiment mit einem Chip
Eine der wichtigsten Fragen der heutigen Quantenmechanik ist laut der Königlichen Akademie in Stockholm „die maximale Größe eines Systems, das quantenmechanische Effekte demonstrieren kann“. Die wichtigsten Vertreter der experimentellen Seite dieser Wissenschaft sind nämlich Einrichtungen wie das Schweizer CERN, das mit Maßstäben arbeitet, die der Größe des „Raums“ subatomarer Teilchen entsprechen.
Mitte der 1980er Jahre führten Clarke, Devoret und Martinis jedoch eine Reihe von Experimenten mit einem elektronischen Chip durch, bei denen sie Quanteneffekte im bisher größten Maßstab beobachteten.
Der Schaltkreis, den die drei Physiker 1984 und 1985 verwendeten, bestand aus Supraleitern, also Materialien, die elektrischen Strom ohne Widerstand leiten. Die einzelnen supraleitenden Komponenten waren im Chip durch eine dünne Schicht aus nichtleitendem Isoliermaterial voneinander getrennt, „eine Konstruktion, die als Josephson-Kontakt bekannt ist“, erklärte die Akademie.
Im Newtonschen Universum wäre es nicht möglich, dass einzelne Teilchen ihr „Mutteratom“ ohne Zufuhr einer großen Energiemenge verlassen. Im Quantenuniversum ist dies jedoch möglich, wobei der Übergang eines Teilchens durch die Barriere als Tunneln bezeichnet wird.
Geladene Teilchen, in diesem Fall Elektronen, durchquerten den Supraleiter so, „als wären sie ein einziges Teilchen, das den gesamten Stromkreis ausfüllte“, obwohl ihnen eigentlich die Teilchen des Stromkreises selbst – die Atomkerne – im Weg stehen müssten.
Der elektrische Strom floss im Chip ohne jegliche Spannung, aber in dem Moment, als die Elektronen die nichtleitende Barriere überschritten, stieg die Spannung merklich an. Auf diese Weise konnten Clarke, Devoret und Martinis nachweisen, dass das Verhalten von Elektrizität im Chip vom Quantenverhalten der Elektronen abhängt. Gleichzeitig bietet dies laut der schwedischen Akademie Möglichkeiten für die weitere Entwicklung der Quantentechnologie.
Geschichte der Nobelpreise für Physik
Der schwedische Chemiker und Ingenieur Alfred Bernhard Nobel war am Ende seines Lebens ein überzeugter Pazifist. Als sein Bruder Ludvig 1888 starb (er erlitt in Paris einen Herzinfarkt), veröffentlichten französische Zeitungen angeblich einen Nachruf mit einem falschen Namen – dem von Alfred.
In dem fehlerhaften Nachruf bezeichneten die Zeitungen Alfred Nobel als „Händler des Todes“, der „durch die Erfindung neuer Methoden, mit denen Menschen sich gegenseitig töten können, reich geworden ist“. Er war es, der 1867 das erste Dynamit mischte, und es muss hinzugefügt werden, dass dies nicht die einzige Sprengstoff- oder Militärtechnologie war, die er entwickelt hat.
Auf den Seiten seiner Stiftung findet sich eine ganze Liste von Patenten, die seine Ausrichtung auf die Rüstungsindustrie belegen – von selbstfahrenden Projektilen mit eigener Rotation [Geschosse dieses Typs mit spiralförmigem Schliff sind heute gängige Munition, Anm. d. Red. über Prototypen von Patronenhülsen mit isoliertem Schießpulver, erste Raketenprototypen bis hin zu einem System zur Reinigung von Eisenerz.
Als Alfred Nobel seinen Nachruf las, wurde ihm die Tragweite seiner Erfindungen bewusst, und so verfasste er ein Testament, auf dessen Grundlage die Erträge aus seinem Vermögen jedes Jahr an Wissenschaftler vergeben werden, die sich im vergangenen Jahr am meisten um das Wohl der Menschheit verdient gemacht haben. In seinem Testament legte er auch die Kategorien der Wissenschaftsbereiche fest, in denen Wissenschaftler sich für seine Auszeichnung qualifizieren können.
Der Nobelpreis kann somit für Physik, Chemie, Physiologie oder Medizin, Literatur und Frieden verliehen werden. Die Schwedische Reichsbank hat 1969 zusätzlich einen separaten Preis für Wirtschaftswissenschaften zum Gedenken an Alfred Nobel ins Leben gerufen. Dieser wird inoffiziell als Nobelpreis für Wirtschaftswissenschaften bezeichnet.
Die erwähnte Geschichte über den falschen Nachruf ist nur eine Legende, Nobels Testament ist jedoch echt. Zu dieser Zeit befanden sich Schweden und Norwegen in einer Personalunion, und nach langwierigen Verhandlungen der politischen Vertreter wurde folgendes System festgelegt: Der Friedenspreis wird vom Nobelkomitee verliehen, das jedes Jahr vom norwegischen Parlament ernannt wird, die übrigen Preise werden von der schwedischen Akademie vergeben.
Mit Ausnahme der Wirtschaftswissenschaften – die angeblich als Ersatz für nicht existierende Preise für Mathematik entstanden sind – reicht die Liste der verliehenen Preise bis ins Jahr 1901 zurück. In diesem Jahr erhielt der deutsche Experimentalphysiker Wilhelm Röntgen den Preis für Physik für die Entdeckung der hochfrequenten Strahlung, die er „Röntgenstrahlen” nannte und die heute nach ihm benannt ist.
Zu den weiteren weltberühmten Physikern zählen zweifellos der Franzose Henri Becquerel „für die Entdeckung der spontanen Radioaktivität” und das Ehepaar Curie, das mit seiner Entdeckung weiterarbeitete. Alle drei erhielten den Preis im Jahr 1903.
Nicht zu vergessen sind auch Guglielmo Marconi und Karl Ferdinand Braun, die 1909 für die „drahtlose Telegrafie“ ausgezeichnet wurden, der Entdecker der „Quanten“ (subatomarer Teilchen) Max Planck, Albert Einstein für die Entdeckung des photoelektrischen Effekts (1921), Niels Bohr für die Entdeckung der Atomstruktur (1922), Heisenberg für die Entdeckung der Wasserstoffisotope (1932), Erwin Schrödinger und Paul Dirac für die Entwicklung der Atomtheorie (1933), Enrico Fermi für die Entdeckung, dass Neutronen radioaktiven Zerfall verursachen können (1938), Pavel Čerenkov und Kollegen für die Entdeckung der gleichnamigen Strahlung (1958), Roger Penrose für Berechnungen, die den Zusammenhang zwischen der Entstehung von Schwarzen Löchern und der allgemeinen Relativitätstheorie bestätigten (2020), und viele andere.
Die Preisträger aus den 1920er bis 1940er Jahren sind auch für ihre Zusammenarbeit bei der Anwendung von Theorien der Quantenphysik bei der Entwicklung der ersten Atombombe (Manhattan-Projekt) bekannt.
Einige Nobelpreisträger für Physik wurden durch die bekannte Serie „The Big Bang Theory“ bekannt, insbesondere George Smoot (2008) für die Entdeckung des „schwarzen Körpers“, Saul Perlmutter (2011) für den Nachweis der Expansion des Universums und Kip Thorne (2017) für die Bestätigung der Existenz von Gravitationswellen. In der Serie trat auch die Chemie-Preisträgerin Frances Arnold auf, die den Effekt der „natürlichen Selektion“ bei der Entwicklung von Enzymen nachahmte und 2018 für ihre „gesteuerte Evolution“ ausgezeichnet wurde.