Auch an dieser Stelle werde ich nur das Grundprinzip beleuchten und nicht auf Details eingehen. Wichtig ist mir eine kurze Beschreibung des Atomkerns und der Geschichte seiner Entdeckung.

Im Jahr 1895 weist Wilhelm Conrad Röntgen zufällig energiereiche Strahlung nach. Auf Grund seiner Veröffentlichung beschäftigen sich andere Forscher wie Perrin, Bequerel, Rutherford und das Ehepaar Curie mit seiner Arbeit und machen weitere erstaunliche Entdeckungen. 1900 formuliert Max Planck das Strahlungsgesetz und auch Albert Einstein trägt 1905 weiter zum Verständnis bei, bis 1913 Niels Bohr sein Atommodell postuliert.

Es handelte sich dabei um die schematische Darstellung wie auf dem Bild rechts oben und wie wir alle es aus dem Physikunterricht unserer Schulzeit kennen. Das Bohrsche Atommodell besteht aus einem positiv geladenen Kern und negativ geladenen Elektronen, die den Kern auf einer Kreisbahn umkreisen. Das Ganze sieht aus wie eine Miniarturversion des Sonnensystems mit der Sonne in der Mitte und den Planeten drum herum. Die Masse des Atoms liegt zu 99% im Kern und die Kreisbahn bildet den Außendurchmesser, dazwischen befindet sich nichts. Das kennen wir alle noch vom Unterricht her.

Bereits bei der Formulierung enthielt dieses Modell der Atome einige Widersprüche und es kamen im Laufe der Jahre und vieler Experimente noch einige hinzu. Aus diesem Grund gilt das Bohrsche Atommodell als überholt und wird nur noch als sehr vereinfachten Einstieg in das Thema an Schulen gelehrt. Die moderne Quantenmechanik fand ihren Anfang im Jahr 1925 durch die Herren Heisenberg, Born, Jordan und Schrödiger. Sie schufen ein Bild der Wechselwirkungen zwischen den Atomkernen, das die bestehenden Widersprüche auflöste und zu einer völlig neuen Sicht der Welt führte. Die Theorien von Einstein und Maxwell erwiesen sich in diesem Bereich als nutzlos, weil sie nicht das bizarre Verhalten der Atome erklären konnten. Zum Beispiel spielt Gravitation im Atomkern keine Rolle mehr, weil sie schlicht zu schwach ist. Und auch die Kraft des Elektromagnetismus reichte nicht aus.

Für unser kreisrundes Schulmodell des Atoms bedeutete dies zu aller erst einmal, das die Bahnen der Elektronen um den Kern die wildesten Formen annahmen. Der Grund dafür liegt in der Erkenntnis, dass die negativ geladenen Elektronen sich auf ihrem Weg von anderen negativ geladenen Elektronen beeinflussen lassen. Jeder kennt diesen Effekt, der immer dann auftritt, wenn man mit der negativen Pol eines Magneten in die Nähe des negativen Pol eines anderen Magneten kommt – sie stoßen sich gegenseitig ab. Durch diese Wechselwirkung sehen einzelne Bahnen der Elektronen zum Teil sehr abenteuerlich aus, wie man im Bild rechts unten sehr schön sehen kann. Aber selbst dies sind Vereinfachungen, die dem Verständnis dienen sollen. Schon länger ist ein Punkt erreicht, an dem neuere Atommodelle nur noch mit mathematischen Formeln darzustellen sind.

Bei der experimentellen Erforschung dieser kleinsten Teile des Atoms kamen ganz erstaunliche Tatsachen zum Vorschein. Es zeigte sich z.B. das sich die Bestandteile der Materie einmal wie feste Teilchen und einmal wie Wellen einer Strahlung verhalten können. Oder anders gesagt, es zeigte sich das Materie einmal da war und einmal weg. Dieser mittlerweile klassische Erklärungsansatz nennt sich Welle-Teilchen-Dualismus Warum genau das so ist weiss niemand – das es so ist kann jederzeit mit Experimenten nachgewiesen werden. Es gibt eine sehr gute Theorie dazu, aber bewiesen im Wissenschaftlichen Sinn ist dies nicht. Auf diese Art von Widersprüchen in der aktuellen Physik anno 2007 stösst man immer wieder. Der Grund dafür ist simpel, denn die Theoretische Physik ist mit ihren mathematischen Erkenntnissen wesendlich weiter wie die technische Entwicklung. Auf diesen Punkt werde ich noch ausgiebig eingehen.

Ab 1930 entdeckten die Forscher noch zwei weitere Naturkräfte neben der Gravitation und dem Elektromagnetismus. Es handelt sich dabei einmal um die Starke Kernkraft, die Protonen und Neutronen im Atomkern wie Superkleber an einander klebt. Die zweite Kraft nennt sich die Schwache Kernkraft, durch die sich Neutronen in Protonen umwandeln können und dabei die Radioaktivität entsteht. Zudem ist sie am Kernfusionsprozess z.B. in der Sonne maßgeblich beteiligt. Diese Erkenntnisse führten schnell zum Bau von Kernwaffen und gaben ihnen ihren Namen. Die Beschreibung der Schwachen- und der Starken-Kernkraft gehört zu den Basisaussagen der Quantenmechanik. Speziell im deutschsprachigen Raum wird auch gerne ven Starker und Schwacher Wechselwirkung geredet, lasse dich nicht verwirren, denn beide Ausdrücke meinen dasselbe.

Als letzter großer Bereich der Quantenmechanik ist die Sache mit der Wahrscheinlichkeit bzw. Dem Zufall zu nennen. In der Welt der Quanten ist nichts sicher, denn es herrscht das Prinzip der Wahrscheinlichkeit. In der Welt der Quanten regiert die Unsicherheit und das Universum spielt ein Spiel mit dem Zufall. Zudem herrscht in Ermangelung einer anderen Idee die allgemeine Annahme, dass jede Entscheidung zu einem eigenem Universum führt. Nach der Quantenmechanik kann man immer nur die Wahrscheinlichkeit bestimmen, mit der ein Ereignis eintritt. Dies gilt folgerichtig in gewissem Umfang auch für unsere Alltagswelt. Selbst Einstein lehnte Zeit seines Lebens die Wahrscheinlichkeiten ab und glaubte auf Grund von Beobachtung nur an ein Universum, das sich definiert und vorhersagbar verhält. Die Idee, das wir nur Wahrscheinlichkeiten berechnen können widerstrebte ihm zutiefst. Sein Zitat dazu: „Gott würfelt nicht.“ Alle Experimente zeigten jedoch, dass Einstein sich geirrt hat und das die Quantenmechanik die Welt korrekt beschrieb. Oder um es noch klarer auszudrücken - keine der Vorhersagen der Quantenmechanik hat versagt, denn sie sind alle eingetroffen.

Das der Standpunkt Einsteins mit der Quantenphysik durchaus nicht im Widerspruch steht, ist Teil des gedanklichen Modells der W-Theorie. Aber genauso wie die String- und die M-Theorie von Edward Witten ist dies experimentell nicht nachweissbar und gehört damit (noch) in den Bereich der Begründeten Spekulationen. Hier auf der einstein-2.de dreht sich jedoch alles nur um nachweissbare bzw. auch reproduzierbare Fakten und deshalb gehört alles ab Stringtheorie in den Bereich Level 2 – Jenseits von Einstein.