Im Alltag verwenden wir den Begriff Quantensprung, um eine besonders große Veränderung zu bezeichnen. Zum Beispiel indem wir sagen: »Die Wasserstofftechnologie könnte ein Quantensprung für die Entwicklung eines umweltfreundlichen Autos sein.« Aber was ist das eigentlich?

In der ursprünglichen Bedeutung ist ein Quantensprung eine zumindest räumlich nur winzige Veränderung im Inneren von Atomen. Man könnte ihn sogar als die allerkleinste Veränderung bezeichnen, welche die Natur überhaupt zulässt. Der Begriff geht auf den Beginn des 20. Jahrhunderts zurück, als Physiker sich mit dem Rätsel befassten, wie es in den Atomen eigentlich aussieht. Der Däne Niels Bohr stellte damals die These auf, dass sich um einen Atomkern herum Elektronen auf Kreisbahnen bewegen. Das ist aus heutiger Warte eine zu simple Sicht. Doch der Gedanke damals war: Je mehr Energie ein Elektron besitzt, desto weiter wird seine Umlaufbahn um den Atomkern.

Das ließ sich sogar in Experimenten nachweisen: Bestrahlt man die Elektronen mit Licht, so nehmen sie dessen Energie auf und umziehen danach den Atomkern auf einer weiter entfernten Bahn. Nicht erwartet hatten die Experten aber, dass die Elektronen ihre Bahnen je nach Energiemenge nicht kontinuierlich verändern, sondern immer nur stufenweise.

Mit einem Ruck in eine neue Umlaufbahn

Die Schlussfolgerung: Die Teilchen können nicht jede beliebige Menge Energie aufnehmen und dementsprechend jeden beliebigen Abstand von ihrem Atomkern einnehmen. Sie nehmen die Energie nur in ganz bestimmten »Paketgrößen« auf, in festgelegten »Quanten« von Energie. Halbe Pakete funktionieren nicht. Und nach Aufnahme eines Paketes springen die Elektronen mit einem Ruck auf eine neue Umlaufbahn – anstatt gleichmäßig in den neuen Zustand hinüberzugleiten.

Und die Natur macht doch Sprünge

Es gibt also eine kleinstmögliche Größe eines Energiepakets, die einen solchen Quantensprung auslösen kann. Diese Erkenntnis mag unbedeutend klingen, aber sie hat die Welt der Naturwissenschaft auf den Kopf gestellt. Bis dahin galt seit der Antike der Grundsatz: »Natura non facit saltus.« (Übersetzt: Die Natur macht keine Sprünge.).

Die Ergebnisse aus der Anfangszeit der Quantenpyhsik bewiesen erstmals das Gegenteil. Das ließ manche Experten schier verzweifeln, der österreichische Physiker Erwin Schrödinger soll sogar von dieser »verdammten Quantenspringerei« gesprochen haben. Dass sich der Begriff Quantensprung für ganz große Umwälzungen durchgesetzt hat, mag an der Perspektive liegen: Räumlich ist der Quantensprung zwar klein, aber für das »System Atom« markiert er eine blitzartige, fundamentale Veränderung. Daher ist es durchaus gerechtfertigt, im Alltag von einem Quantensprung zu reden, wenn sich Dinge von heute auf morgen wandeln.

(Text: Jens Schröder)

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Mit welchem Licht vermessen wir Atome?

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