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Wie anschaulich ist Physik?

Nicht nur Relativitäts- und Quantentheorie stellen unser Denken oft auf eine harte Probe. Von Martin Koch

Ich bin überzeugt, dass niemand die Quantenmechanik wirklich versteht«, erklärte vor Jahren kein Geringerer als Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman. »Man kann sich nur an sie gewöhnen.« Als nicht minder unverständlich gilt die Relativitätstheorie. Weil sie deren Schlussfolgerungen für absurd halten, versuchen manche Menschen bis heute, sie zu widerlegen - getreu dem Motto: Was nicht sein kann, auch nicht sein darf.

Dagegen steht die Newtonsche Mechanik im Ruf, eine anschauliche Theorie zu sein. Eine Theorie, die sich, wie es heißt, an den »gesunden Menschenverstand« anlehne. Man sollte daher eigentlich annehmen, dass jemand, der in der Schule mehrere Jahre in Physik unterrichtet wurde, die Prinzipien und Gesetze der Newtonschen Mechanik korrekt anzuwenden versteht. Psychologen in den USA wollten es genauer wissen. Sie baten Collegestudenten, die man von Alter und Ausbildung her mit deutschen Studienanfängern vergleichen kann, einige Fragen aus dem Bereich der klassischen Mechanik zu beantworten. Zum Beispiel: Eine Kanonenkugel wird waagrecht abgeschossen. Welche Flugbahn beschreibt sie? Oder: Eine Kugel wird an einer Schnur im Kreis herumgeschleudert. Was passiert, wenn die Schnur plötzlich reißt? Wohin fliegt die Kugel?

Um diese Fragen beantworten zu können, ist es unerlässlich, das von Galilei und Newton formulierte Trägheitsprinzip zu berücksichtigen. Es besagt: Ein Körper behält seinen gegebenen Bewegungszustand solange bei (auch den der geradlinig-gleichförmigen Bewegung), solange er nicht durch einwirkende Kräfte zur Änderung desselben gezwungen wird. Folglich lautet die korrekte Antwort auf die erste Frage: Die abgeschossene Kanonenkugel beschreibt eine Parabel, die durch die ungestörte Überlagerung von gleichförmiger Bewegung und freiem Fall zustande kommt. Im zweiten Beispiel verschwindet beim Zerreißen der Schnur die Kraft, die die Kugel auf einer Kreisbahn hält. Was übrig bleibt, ist die Trägheit, die eine geradlinige Bewegung bewirkt. Folglich fliegt die Kugel auf einer Geraden weiter, welche die ursprüngliche Kreisbahn als Tangente verlässt. Obwohl alle an der Studie beteiligten Studenten einen Grundkurs in Physik absolviert hatten, beantworteten lediglich 51 Prozent die zweite Frage richtig, bei der ersten Frage waren es sogar nur 28 Prozent.

Denn das Trägheitsprinzip widerspricht unserer Sinneserfahrung, der zufolge sich ein Körper nur dann bewegt, wenn er durch eine äußere Kraft dazu veranlasst wird. Ohne Krafteinwirkung verharrt er in Ruhe. So steht es schon bei Aristoteles. Gleichwohl barg dessen Lehre von der erzwungenen Bewegung ein schwerwiegendes Problem: Warum fliegt zum Beispiel ein geworfener Stein auch dann weiter, wenn er die Hand des Werfers verlassen hat? Welche Kraft sorgt für seinen Flug bis zum Aufschlag auf den Boden? Eine raffinierte Antwort darauf fanden Naturforscher im Mittelalter: die Impetustheorie. Danach verleiht der Werfer dem Stein beim Wurf eine Art innere Kraft, sprich einen Impetus, der im Verlauf der Bewegung durch äußere Einflüsse (etwa den Luftwiderstand) verbraucht wird. Ist er gänzlich aufgezehrt, kommt die Bewegung zum Stillstand.

Ohne Zweifel klingt die Impetustheorie plausibel, weswegen man sie auch als intuitive Mechanik bzw. Mechanik des gesunden Menschenverstandes bezeichnet. Passend dazu sind die Ergebnisse der erwähnten Studie. So waren etwa 30 Prozent der Studenten der Auffassung, dass die kreisende Kugel nach dem Reißen der Schnur weiter einer gekrümmten Bahn folge. Und sie begründeten dies ähnlich wie die Impetustheoretiker: In der Kugel wirke eine innere Kraft weiter, welche die gekrümmte Bewegung veranlasse. Bunt gemischt waren die falschen Antworten im Fall der Kanone. Hier gaben 40 Prozent der Studenten an, dass sich die Kugel nach dem Abschuss zunächst waagrecht fortbewege, und zwar solange, bis ihr innerer »Antrieb« aufgebraucht sei. Dann falle sie - entweder direkt oder nach einer kurzen gebogenen Flugphase - senkrecht nach unten.

Dass Menschen sich bisweilen so schwer tun mit der Newtonschen Mechanik, ist auch aus einem anderen Grund verständlich. Denn in der uns umgebenden Realität werden die idealen mechanischen Bewegungen unentwegt durch Reibungskräfte »gestört«. Inzwischen jedoch gibt es Möglichkeiten, dieses Anschauungshindernis zu überwinden. So lässt sich am Computer eine Welt simulieren, in der das Trägheitsprinzip gleichsam in Reinform gilt. In einer ebenfalls in den USA durchgeführten Untersuchung wurden Schüler auf diese Weise befähigt, letztlich so souverän mit den Newtonschen Gesetzen umzugehen, dass sie diese in einem nachfolgenden Test problemlos anwenden konnten.

Hingegen dürfte es um ein Vielfaches schwieriger sein, sich auf ähnliche Weise die Quantentheorie anzueignen. Denn im Mikrokosmos besitzen sämtliche Objekte sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften. Sie bewegen sich nicht auf definierten Bahnen und können an zwei Orten gleichzeitig sein. Wer versuche, sich all dies anschaulich vorzustellen, könne leicht verrückt werden, scherzte Feynman.

Umso mehr verblüfft, was ein Forscherteam um Jacob Sherson von der Universität Aarhus (Dänemark) im britischen Fachjournal »Nature« (DOI: 10.1038/nature17620) berichtet. Die Wissenschaftler hatten ein Computerspiel namens »Quantum Moves« ins Netz gestellt, an dem sich rund 10 000 Spieler beteiligten. Deren Aufgabe war es, ein kompliziertes quantenmechanisches Optimierungsproblem zu lösen, das für die Entwicklung von Quantencomputern von Bedeutung ist. Anders als normale Rechner arbeiten diese mit sogenannten Qubits. Qubits können sich in zwei Zuständen (0,1) gleichzeitig befinden und werden über die Eigenschaften von isolierten atomaren Teilchen realisiert.

Das von den Forschern entworfene Modell eines »Quantencomputers« besteht aus Atomen, die in Energiemulden sitzen und bei einer logischen Operation von Ort zu Ort transportiert werden müssen. Das sollte zwar schnell, aber nicht so schnell geschehen, dass die Atome ihre Quanteneigenschaften verlieren. »Im Prinzip kennen wir das Problem aus dem Alltag«, erläutert Sherson. »Je schneller wir ein Glas Wasser tragen, desto eher verschütten wir etwas.« Das sei zu vermeiden. Tatsächlich gelang es den Spielern, die Zeit für eine optimale Verschiebung der Atome viel genauer zu bestimmen, als selbst große Rechner dies bisher vermochten. Für die Forscher ist das Ergebnis ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Realisierung eines Quantencomputers.

Ob sich mit dieser »Schwarmmethode« auch andere quantenphysikalische Probleme lösen lassen, ist derzeit unklar. Es bleibt jedoch die erstaunliche Erkenntnis, dass die menschliche Intuition auch zum Ziel führen kann, wenn sie es mit Objekten zu tun hat, die sich der unmittelbaren Anschauung entziehen.

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