100 Jahre Quantenmechanik

Die UNESCO hat 2025 zum „Internationalen Jahr der Quantenwissenschaften und –technologien“ erklärt, denn von 100 Jahren gelang Werner Heisenberg die erste mathematische Formulierung der Quantentheorie. Dieser Vortrag skizziert die Grundidee dieser Entdeckung und räumt bei dieser Gelegenheit mit einigen verbreiteten Missverständnissen und Mythen auf.

Die Eigenschaften von Materie – seien es Elementarteilchen, Moleküle oder Werkstoffe – werden durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmt. Im Vortrag werden einige typische Systeme vorgestellt, deren makroskopische Eigenschaften sich zwar grundsätzlich aus mikroskopischen Quantengesetzen ableiten lassen, deren Berechnung jedoch so komplex ist, dass der Rechenaufwand mit der Anzahl der beteiligten Teilchen exponentiell wächst. Dieses Phänomen ist seit den Anfängen der Quantenmechanik bekannt und stellt eine Herausforderung dar: Die Natur „rechnet“ offenbar auf eine Weise, die klassische Computer schnell an ihre Grenzen bringt.

Seit etwa vierzig Jahren wird deshalb der Versuch unternommen, dieses Problem in eine Lösung zu verwandeln – durch Quantencomputer, die selbst auf quantenmechanischen Prinzipien beruhen. Systeme aus vielen Quantenspins könnten, so die Hoffnung, Rechnungen ermöglichen, die für klassische Rechner unzugänglich sind. Tatsächlich lassen sich heute schon erste Erfolge beobachten – zugleich zeigt sich aber auch, dass viele aktuelle Anwendungen mit konventionellen Computern weiterhin effizienter lösbar sind als mit Quantencomputern.

Im Vortrag wird der Versuch einer Einordnung der Probleme unternommen.

Wie hat unsere Welt begonnen? Wie und wann sind die ersten Atomkerne und Elemente enstanden? Wie haben sich die Atome, die ersten Sterne, Galaxien, schwarze Löcher, weiße Zwerge, und letztlich auch das Leben gebildet? All dies ließe sich ohne die Quantenmechanik in keiner Weise verstehen. Auch das Schwarzkörperspektrum, mit dessen Beschreibung Max Planck den Grundstein der Quantenphysik legte, umgibt uns in reinster Form als kosmische Hintergrundstrahlung, ohne dass wir es wahrnehmen. Anhand dieser Beispiele wird die Bedeutung der Quantenmechanik als zentrales Fundament des Mikro- und Makrokosmos beleuchtet.

Was macht man eigentlich als Physikstudent den ganzen Tag? Zwischen Vorlesungen, Praktika und Forschungsprojekten bleibt oft wenig Zeit, sich diese Frage bewusst zu stellen. In diesem Vortrag gebe ich einen Einblick in meinen Alltag als Physikstudent und erzähle, wie ich früh in die Welt der Teilchenphysik eingetaucht bin. Neben fachlichen Herausforderungen sind es vor allem die Menschen und die Zusammenarbeit im Team, die diesen Weg so spannend machen. Der Vortrag soll nicht nur Einblicke bieten, sondern auch zum Austausch und zur Diskussion anregen.

Supraleiter

Noch vor der Entdeckung der Quantenmechanik wurde  im Jahr 1911die Supraleitung entdeckt. Supraleitung bedeutet das verlustfreie Leiten von elektrischem Strom und perfekte Abschirmung von Magnetfeldern. Heute wissen wir, dass Supraleitung die Ausprägung eines makroskopischen Quanteneffekts ist.
Phänomenologie der Quantenmechanik wird so mit unseren Sinnen direkt erfahrbar. An unserem Stand zeigen wir Konsequenzen der perfekten Magnetfeldabschirmung in Supraleitern, in dem wir sie auf Magneten schweben lassen.

Das Leuchten der Quanten: Nebelkammer

Die Quantenwelt offenbart sich in den kleinsten Teilchen - unsichtbar für das bloße Auge, doch sie verraten uns, was Materie zusammenhält, wie Sterne entstehen, und sogar was Sekundenbruchteile nach dem Urknall geschah. In den Teilchendetektoren werden diese Quanteneffekte direkt sichtbar. In der Nebelkammer hinterlassen geladene Teilchen aus kosmischer Strahlung oder radioaktiven Quellen feine Kondensstreifen und enthüllen so die kleinsten Bausteine der Natur. Beobachten Sie live, wie die unsichtbare Welt der Elementarteilchen plötzlich aufleuchtet - Quantenphysik zum Staunen!

Linearbeschleuniger – Quanten unter Strom

Um Quanteneffekte zu erforschen, welche die Elementarkräfte unseres Universums bestimmen, sind weit höhere Energien nötig, als sie bei radioaktiven Zerfällen entstehen. Anders als bei kosmischen Teilchen, die zufällig auf der Erde auftreffen, benötigt man exakt kontrollierte Bedingungen. Das schaffen nur Teilchenbeschleuniger: in gezielten Teilchenkollisionen werden neue Teilchen erzeugt und Quantenphänomene messbar gemacht. Im Linearbeschleuniger werden Teilchen auf beinahe Lichtgeschwindigkeit gebracht, indem elektromagnetische Felder sie auf gerader Strecke stufenweise "anschieben". Unser Modell veranschaulicht diesen Prozess.

Die höchstenergetischen Quanten aus dem Universum

Das Pierre-Auger-Observatorium misst nicht nur die höchstenergetischen Teilchen aus dem Universum, sondern sucht auch nach extrem hochenergetischen Quanten. Diese Quanten können über Quanteneffekte in den 1660 Detektoren mit 12 Tonnen Wasser am Observatorium in Argentinien sichtbar gemacht werden. Vor Ort können wir das in klein vorführen, oder mittels einer VR-Brille erlebbar machen.

Die UNESCO hat 2025 zum „Internationalen Jahr der Quantenwissenschaften und –technologien“ erklärt, denn von 100 Jahren gelang Werner Heisenberg die erste mathematische Formulierung der Quantentheorie. Dieser Vortrag skizziert die Grundidee dieser Entdeckung und räumt bei dieser Gelegenheit mit einigen verbreiteten Missverständnissen und Mythen auf.

Die Eigenschaften von Materie – seien es Elementarteilchen, Moleküle oder Werkstoffe – werden durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmt. Im Vortrag werden einige typische Systeme vorgestellt, deren makroskopische Eigenschaften sich zwar grundsätzlich aus mikroskopischen Quantengesetzen ableiten lassen, deren Berechnung jedoch so komplex ist, dass der Rechenaufwand mit der Anzahl der beteiligten Teilchen exponentiell wächst. Dieses Phänomen ist seit den Anfängen der Quantenmechanik bekannt und stellt eine Herausforderung dar: Die Natur „rechnet“ offenbar auf eine Weise, die klassische Computer schnell an ihre Grenzen bringt.

Seit etwa vierzig Jahren wird deshalb der Versuch unternommen, dieses Problem in eine Lösung zu verwandeln – durch Quantencomputer, die selbst auf quantenmechanischen Prinzipien beruhen. Systeme aus vielen Quantenspins könnten, so die Hoffnung, Rechnungen ermöglichen, die für klassische Rechner unzugänglich sind. Tatsächlich lassen sich heute schon erste Erfolge beobachten – zugleich zeigt sich aber auch, dass viele aktuelle Anwendungen mit konventionellen Computern weiterhin effizienter lösbar sind als mit Quantencomputern.

Im Vortrag wird der Versuch einer Einordnung der Probleme unternommen.

Wie hat unsere Welt begonnen? Wie und wann sind die ersten Atomkerne und Elemente enstanden? Wie haben sich die Atome, die ersten Sterne, Galaxien, schwarze Löcher, weiße Zwerge, und letztlich auch das Leben gebildet? All dies ließe sich ohne die Quantenmechanik in keiner Weise verstehen. Auch das Schwarzkörperspektrum, mit dessen Beschreibung Max Planck den Grundstein der Quantenphysik legte, umgibt uns in reinster Form als kosmische Hintergrundstrahlung, ohne dass wir es wahrnehmen. Anhand dieser Beispiele wird die Bedeutung der Quantenmechanik als zentrales Fundament des Mikro- und Makrokosmos beleuchtet.

"Wie lebt es sich als Physikstudentin?" und „Was macht man eigentlich den ganzen Tag lang im Physikstudium?“ sind Fragen die mir in meiner Studienzeit des Öfteren gestellt wurden. Meine Antwort auf die erste Frage in meinem anfänglichen Bachelor Semester war „stressig, anstrengend und müde“, aber sobald ich immer länger studierte änderte sie sich zu „faszinierend, herausfordernd und verbindend“.  In diesem Vortrag gebe ich einen Einblick in meinen früheren Alltag als Bachelor und Master Studentin, meiner Arbeit in der Physik Fachschaft während dieser Zeit und wie sich mein heutiger Alltag als Doktorandin gestaltet. Ich gebe außerdem einen kleinen Überblick in die Berufe, die einige meiner Kommilitonen heute machen.

Supraleiter

Noch vor der Entdeckung der Quantenmechanik wurde  im Jahr 1911die Supraleitung entdeckt. Supraleitung bedeutet das verlustfreie Leiten von elektrischem Strom und perfekte Abschirmung von Magnetfeldern. Heute wissen wir, dass Supraleitung die Ausprägung eines makroskopischen Quanteneffekts ist.
Phänomenologie der Quantenmechanik wird so mit unseren Sinnen direkt erfahrbar. An unserem Stand zeigen wir Konsequenzen der perfekten Magnetfeldabschirmung in Supraleitern, in dem wir sie auf Magneten schweben lassen.

Das Leuchten der Quanten: Nebelkammer

Die Quantenwelt offenbart sich in den kleinsten Teilchen - unsichtbar für das bloße Auge, doch sie verraten uns, was Materie zusammenhält, wie Sterne entstehen, und sogar was Sekundenbruchteile nach dem Urknall geschah. In den Teilchendetektoren werden diese Quanteneffekte direkt sichtbar. In der Nebelkammer hinterlassen geladene Teilchen aus kosmischer Strahlung oder radioaktiven Quellen feine Kondensstreifen und enthüllen so die kleinsten Bausteine der Natur. Beobachten Sie live, wie die unsichtbare Welt der Elementarteilchen plötzlich aufleuchtet - Quantenphysik zum Staunen!

Linearbeschleuniger – Quanten unter Strom

Um Quanteneffekte zu erforschen, welche die Elementarkräfte unseres Universums bestimmen, sind weit höhere Energien nötig, als sie bei radioaktiven Zerfällen entstehen. Anders als bei kosmischen Teilchen, die zufällig auf der Erde auftreffen, benötigt man exakt kontrollierte Bedingungen. Das schaffen nur Teilchenbeschleuniger: in gezielten Teilchenkollisionen werden neue Teilchen erzeugt und Quantenphänomene messbar gemacht. Im Linearbeschleuniger werden Teilchen auf beinahe Lichtgeschwindigkeit gebracht, indem elektromagnetische Felder sie auf gerader Strecke stufenweise "anschieben". Unser Modell veranschaulicht diesen Prozess.

Die höchstenergetischen Quanten aus dem Universum

Das Pierre-Auger-Observatorium misst nicht nur die höchstenergetischen Teilchen aus dem Universum, sondern sucht auch nach extrem hochenergetischen Quanten. Diese Quanten können über Quanteneffekte in den 1660 Detektoren mit 12 Tonnen Wasser am Observatorium in Argentinien sichtbar gemacht werden. Vor Ort können wir das in klein vorführen, oder mittels einer VR-Brille erlebbar machen.