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Bei der Kinderuni Saar dreht sich in diesem Semester alles um Quanten

Kinderuni : Ausflug in die Welt der Atome

Professor Christoph Becher hat gemeinsam mit der Kinderuni die Klasse 6d am Saarpfalz-Gymnasium in Homburg besucht. Nach seinem Vortrag blickt er zurück auf die ungewöhnliche Unterrichtsstunde.

Mit seinem Vortrag über winzig kleine Teilchen ist Professor Christoph Becher bei den Schülern der Klasse 6d des Homburger Saarpfalz-Gymnasium auf riesiges Interesse gestoßen. Gerade zum Thema Atome hatten die Kinderuni-Studenten nach seinem Vortrag zahlreiche Fragen: „Das hätte ich so nicht erwartet“, blickt der Forscher auf seinen Schulbesuch zurück. „Das fand ich faszinierend.“ Dafür, dass die Schüler so aufmerksam gewesen seien, hätten sie ein großes Lob verdient.

„Kann man Atome so verändern, dass man bestimmte Elemente wie zum Beispiel Gold erhält?“, lautete eine Frage der Schüler, die sogar den Forscher verblüffte. Prinzipiell sei das möglich. „Aber es ist aufwendig und die Kosten dafür sind viel höher als der Goldpreis“, erklärt er.

Auch um einen weiteren Traum vieler Science-Fiction-Fans wahr werden zu lassen sei der Aufwand einfach viel zu gigantisch: Die Teleportation, bei dem ein Mensch von einem Ort zu einem anderen
„gebeamt“ wird, sei mehr in der Theorie in einer fernen Zukunft. In der Praxis sähe das anders aus. Nicht nur, dass die Quadrilliarden Atome, aus denen ein Mensch besteht, am Zielort wieder richtig zusammengesetzt werden müssen, auch alle Nervensignale müssen rekonstruiert werden.

Die Signale, die im Gehirn und über die Nervenbahnen hin und her gesendet werden, machen unser Bewusstsein und unsere Gedanken aus. Der enorme Aufwand jemanden zu teleportieren, ist daher mit den heutigen Möglichkeiten nicht vorstellbar.

Christoph Becher verriet den Schülern, wie es für ihn gewesen ist, als er zum ersten Mal ein einzelnes Atom gesehen hat. Das könne man nicht einfach im Raum aufhängen, um es anzuschauen, sondern müsse es erst mal in einer „Falle“ einfangen. Und an die haben die Forscher ein Mikroskop gebaut. „Darin sieht man das Licht, das von dem Atom zurückgeworfen wird. Und das sieht so aus wie ein ganz kleiner, funkelnder Stern am Nachthimmel, den man gerade noch erkennen kann“, beschreibt Becher – ein Lichtpünktchen.

Um ein einzelnes Atom zu isolieren, ist jedoch – wie so oft in der Quantenphysik – ein kompliziertes Experiment erforderlich. Bei normalen Temperaturen schwingen alle Atome nämlich wild hin und her. Becher: „Erst wenn wir sie sehr stark abkühlen, kommen sie zur Ruhe.

Und das ist der Zustand, den wir brauchen.“ Der Kühlschrank, in dem die Forscher die einzelnen Atome beobachten, muss dafür nahe an der tiefst mögliche Temperatur, den absoluten Nullpunkt um die Minus 273 Grad arbeiten. Das ist noch viel kälter als der Flüssigstickstoff mit seinen Minus 196 Grad, den der Dozent Thomas John bei seinem Kinderuni-Vortrag dabei hatte.

Doch damit nicht genug: Um ein einzelnes Atom einzufangen, ist auch ein luftleerer Raum erforderlich. Und Forscher brauchen eine ganz bestimmte Farbe des Lichtes, um die Atome dann zu kontrollieren, erklärt der Quantenphysiker.

Überhaupt spielt Licht in der Quantenphysik eine große Rolle. Dazu hat Becher bei seinem Kinderuni-Besuch Experimente gezeigt, die die Schüler auch zu Hause nachmachen können. Wenn Licht durch enge Öffnungen fällt, sind Muster zu erkennen. Sie sind zum Beispiel zu sehen, wenn zwei Legosteine aufeinander gesetzt werden, aber zwischen ihnen ein kleiner Spalt bleibt. Hältst du die Steine dicht vor dein Auge und schaust auf etwas Helles wie zum Beispiel eine Lampe, siehst du farbige Streifen.

Das Gleiche passiert, wenn du durch eine Gardine auf eine Straßenlaterne schaust, die weiter entfernt steht. Oder wenn du mit einem Laserpointer auf eine CD leuchtest. „Dann sieht man eine Reihe von Punkten. Licht, das durch eine Öffnung fällt, macht also Muster“, erklärt Becher. Die Forscher nennen das Beugung.

„Am besten kam bei den Kindern aber ein kleines Kästchen an“, sagt Becher. Wenn man dort einen Schalter umlegt, geht der Deckel auf. Einmal schaut eine Stoffkatze heraus, streckt ihre Pfote aus und drückt den Schalter wieder runter. Ein anderes Mal geht zum Beispiel nur der Deckel auf, ohne dass das Tier rausguckt. Das Kästchen sollte Zufallseffekte verdeutlichen, erklärt er.

Damit demonstrierte Becher, dass sich in der Quantenphysik viele Ergebnisse von Experimenten nicht sicher vorhersagen lassen. So können die Forscher auch bei Atomen und Lichtteilchen nur sagen, an welchen Orten sie möglicherweise sind und mit welcher Wahrscheinlichkeit sich dort ein Atom finden lässt. Dieser „eingebaute“ Zufall in den Experimenten lässt sich zum Beispiel nutzen, um Zufallszahlen zu erzeugen.

Warum ist das alles so spannend? Im Alltag werden gute Zufallszahlen unter anderem dazu verwendet, um bei Online-Banküberweisungen und Nachrichten Daten zu verschlüsseln. Inzwischen gebe es sogar das erste Smartphone zu kaufen, das einen Quanten-Zufallsgenerator hat – allerdings noch nicht in Deutschland.