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Woher kommt die Quantentheorie?
Sie hat nicht als verrückte Idee begonnen, sondern mit einer Glühbirne. Um 1890 wollte das Deutsche Büro für
Industriestandards wissen, wie Glühbirnen effektiver arbeiten könnten und fragten Max Plank nach einer Lösung.
Gewünscht war maximale Lichtmenge für minimalen Energieaufwand.
Die allererste Aufgabe für Planck war, vorherzusagen, wieviel Licht ein heißer Glühdraht abgibt.
Er wusste, Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen und verschiedene Farben bedeuten unterschiedliche Frequenz
Das Problem war, sicherzustellen, dass so viel abgegebenes Licht wie möglich
im sichtbaren Wellenbereich lag, nicht im Ultravioletten oder Infraroten.
Er versuchte, herauszufinden, wieviel Licht jeder Farbe ein heißer Gegenstand emittiert, aber seine Vorhersagen,
welche auf der Theorie des Elektromagnetismus beruhten, stimmten nicht mit seinen Experimenten überein.
Also, in einem Verzweifelten Versuch, warf er sämtliche bekannten Theorien über Bord
und arbeitete sich rückwärts an das Problem heran - er begann mit den experimentellen Messungen. Die Messdaten
führten ihn zu einem neuen physikalischen Gesetz: Licht transportiert Energie in Paketen. Hochfrequentes Licht
kommt in großen Energiepaketen, niedrigfrequentes Licht in
kleinen Energiepaketen.
Die Idee, dass Licht nur als Pakete oder 'Quanten' existiert, klingt erst einmal verrückt und das war es
zu dieser Zeit auch, aber Einstein sah den Zusammenhang dieses Problems mit einem sehr viel bekannteren: Teilen
Wenn man ein Kind glücklich machen will, gibt man ihm einem Keks. Aber wenn zwei Kinder da sind, und man
nur einen Keks hat, dann kann man sie Kinder nur halb so glücklich machen. Und wenn es
vier, acht, oder sechzehnhunderttausend gibt, macht man sie nicht wirklich glücklich, wenn alles
was man zum Verteilen hat, ein Keks ist.
Weiter noch, wenn man unendlich viele Kinder hat, aber nur endlich viele Kekse
und diese gleich auf alle Kinder verteilt, hat jedes Kind genau ein Unendlichstel kleines Krümelchen. Keines
wird sich wirklich darüber freuen. Und am Ende haben sie trotzdem alle Kekse aufgegessen.
Der Unterschied zwichen Lichtwellen und Kindern ist, dass man nicht unendlich viele Kinder in einem Zimmer
finden kann. Aber, wenn Lichtwellen in allen möglichen Größen kommen, kann man unendlich kleine Wellen haben
und man kann davon unendlich viele in einen Raum unterbringen. Und dann 'essen' die Lichtwellen
alle vorhandenen Kekse auf - ich meine - verbrauchen alle vorhandene Energie.
Alle diese unendlich kleinen Wellen zusammen hätten eine unendliche Kapazität, Energie zu absorbieren.
also würden sie noch die letzte Hitze aus allem heraussaugen, und zwar sofort.
Also friert der Tee in der Tasse ein, oder die Sonne oder sogar eine Supernova.
Glücklicherweise funktioniert unser Universum anders, weil wie Planck richtig vermutete, die kleinen hochfrequenten
Wellen Energie nur in riesigen Paketen transportieren können. Sie sind wie verwöhnte Kinder, die
nur genau siebenunddreißig Kekse wollen, oder einhundert- zweiundsechzigtausend Kekse,
keins mehr, keins weniger. Weil sie so verwöhnt sind, haben die hochfrequenten Wellen einfach verloren -
die meiste Energie wird dann von niedrigerfrequenten Paketen transportiert, die eher bereit sind, gleichmäßig
zu teilen. Diese gewöhnliche, Durchschnittsenergie, die die Pakete tragen, ist in Wirklichkeit das, was wir meinen,
wenn wir von Temperatur reden.
Eine höhere Temperatur heißt höhere Durchschnitts-Energie und gemäß Plancks Gesetz
eine höhere ausgestrahlte Lichtfrequenz. Deshalb glüht ein Gegenstand beim Erhitzen erst
infrarot, dann rot, gelb, weiß; heißer und heißer bis es blau, violett, ultraviolett ist
u.s.w.
Genauer: Plancks Quantentheorie vom 'verwöhnten' Licht lehrt uns, dass Glühfäden auf eine
Temperatur von ca. 3200K erhitzt werden sollten, damit die meiste Energie als
sichtbares Licht abgestrahlt wird. Wenn wir weiter erhitzen, werden wir braun vom Ultravioletten Licht.
Und: Quantentheorie hätte uns eigentlich schon viel früher, vor der Erfindung der Glühbirne, begegnen können
und bevor es Sonnenstudios gab: Menschen haben seit Jahrtausenden Feuer gemacht, und die Farbe
der Flammen haben schon immer 'Quanten' geschrien.