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Wenn du gerade auf der Startseite den Beitrag von 2020 gesehen hast und dir gedacht hast „naja, ist ja eingeschlafen“: ich verstehe das. Hat ja auch fast sechs Jahre nichts mehr getan hier. Höchste Zeit, das zu ändern.

Wo ich war

Kurz die ehrliche Version: Ich habe Anfang 2021 die Schule verlassen und einen Job in der Industrie angenommen. Erst Teilzeit, dann mehr, dann ist Klein-Mia auf die Welt gekommen. Zwischen Schichtdienst, Trotzphase und Hausumbau ist dieser Blog komplett aus meinem Kopf gerutscht. Ich habe ihn ein paarmal aufgemacht, ein paar Zeilen getippt, wieder zugemacht. Kennt ihr vermutlich selbst.

2024 dann der Wendepunkt. Mia kam ins Kindergartenalter, der neue Job ist Routine geworden, und ich habe gemerkt: das Erklären fehlt mir. In der Schule habe ich das täglich gemacht. Jetzt sitze ich abends im Büro und keiner fragt mich mehr, warum sich die Erde um die Sonne dreht. Schade eigentlich.

Was sich ändert

Ich habe in den letzten Wochen ein paar Beiträge geschrieben, die jetzt online gehen. Themen, die mich gerade beschäftigen oder die ich schon hundertmal im Bekanntenkreis erklärt habe. Der blaue Himmel zum Beispiel. Warum kein Schall im Vakuum ist. Quantenmechanik ohne dass einem die Augen tränen.

Mein Plan: alle zwei bis drei Wochen ein Beitrag. Lieber weniger, dafür ordentlich recherchiert. Ich bin Lehrer gewesen, kein Wissenschaftsjournalist, also wird es ab und zu Lücken geben. Wenn ihr welche findet, schreibt mir.

Was bleibt

Der Ton soll bleiben wie früher: ruhig, manchmal trocken, ohne Effekthascherei. Keine Werbung im Text, keine bezahlten Empfehlungen, keine Newsletter-Pop-ups. Wer mitlesen will, kommt einfach vorbei. Wer wissen will, was ich gerade gelesen habe oder welches Experiment ich am Wochenende mit meiner Tochter gemacht habe, ebenso.

Schön, dass du wieder da bist. Oder zum ersten Mal. Beides gilt.

Tom

Wer „Star Wars“ gesehen hat, kennt das Geräusch: X-Wings rasen durch das Weltall, dazu donnert es im Kino. Macht Spaß, ist aber physikalischer Quatsch. Im echten Weltraum würde dieselbe Szene komplett stumm ablaufen. Warum eigentlich, wenn doch im Vakuum Lichtwellen problemlos unterwegs sind? Hier ist die ausführliche Antwort.

Schall braucht etwas zum Schwingen

Schall ist eine mechanische Welle. Das ist der Schlüssel. Anders als Licht braucht eine mechanische Welle ein Medium, also Materie, die ihre Schwingung weitergeben kann. Wenn ich in die Hände klatsche, drücke ich Luft zur Seite. Diese Luft schiebt die nächsten Luftmoleküle an, die wiederum die übernächsten und so weiter. So pflanzt sich der Druckpuls fort, bis er irgendwann ein Trommelfell trifft und das mit schwingen lässt.

Ohne Moleküle zum Weitergeben passiert nichts. Stell dir eine Reihe Dominosteine vor: nimm die Steine weg, und das Umkippen bleibt aus. Genauso ist es im Vakuum. Es gibt keine Teilchen, die die Bewegung übernehmen könnten.

Das klassische Schulexperiment

Die Standard-Demonstration kennt jeder, der irgendwann in der Mittelstufe Physikunterricht hatte: Man hängt eine elektrische Klingel in eine Glasglocke. Klingel an, Geräusch ist da. Dann pumpt man mit einer Vakuumpumpe die Luft langsam heraus. Je weniger Luft, desto leiser wird die Klingel, obwohl sie weiterhin schlägt, das sieht man durch das Glas. Bei guter Pumpe hört man am Ende nichts mehr, höchstens noch ein leises Brummen, das über die Aufhängung übertragen wird.

Genau dieses Experiment hat Robert Boyle schon im 17. Jahrhundert durchgeführt. Wer es selbst nie gesehen hat: ich habe es früher gerne in der achten Klasse vorgeführt. Es ist eines der wenigen Experimente, bei denen jeder im Raum sofort versteht, worum es geht.

Warum Licht trotzdem reisen kann

Hier ist der Punkt, an dem es spannend wird. Licht ist eine elektromagnetische Welle und braucht kein Medium. Was schwingt da eigentlich? Antwort: das elektromagnetische Feld selbst. Elektrische und magnetische Felder können sich gegenseitig anregen und so durch leeren Raum laufen, sogar mit der höchsten möglichen Geschwindigkeit überhaupt, also rund 300.000 Kilometer pro Sekunde.

Bis ins späte 19. Jahrhundert haben Physiker noch geglaubt, auch Licht müsse ein Medium brauchen, den sogenannten „Lichtäther“. Das berühmte Michelson-Morley-Experiment von 1887 hat aber gezeigt: gibt es nicht. Licht kommt ohne Trägermedium aus. Schall nicht.

Wie viel Vakuum braucht es?

Tatsächlich gibt es im Weltraum nicht das absolute Nichts. Im interstellaren Raum schweben immer noch ein paar Atome pro Kubikzentimeter, im interplanetaren Raum etwas mehr. Theoretisch könnte ein Schallpuls also weitergegeben werden, wenn die Teilchen sich treffen würden. Praktisch sind die Abstände zwischen den Teilchen so groß, dass eine Welle, wie wir sie uns vorstellen, nicht entsteht. Statt einer durchlaufenden Schwingung gibt es nur vereinzelte Stöße, die nicht koordiniert sind.

Schon auf der Internationalen Raumstation gilt: hätte ein Astronaut auf einem Außeneinsatz keinen Funk, könnte er den Astronauten neben sich nicht hören, selbst wenn der direkt brüllt. Helmkontakt herstellen, dann wandert der Schall über die Materialien beider Helme weiter, und man kann sich verständigen. Funktioniert wirklich, ist aber kein Standardverfahren.

Was im Weltall trotzdem rauscht

Genau genommen „hört“ man bei Raumsonden manchmal Geräusche aus dem All. Das sind aber keine Schallwellen, sondern elektromagnetische Signale, die nachträglich in Töne umgewandelt wurden. NASA und ESA machen das, um Plasmawellen oder Magnetfeldvariationen für Menschen zugänglich zu machen. Klingt manchmal mystisch, ist aber im physikalischen Sinn keine „Geräusch-Aufnahme“ wie aus einem Mikrofon, sondern eine Übersetzung.

Kleines Gedankenexperiment zum Schluss

Wenn auf dem Mars ein Stein abrutscht und du daneben stehst, hörst du etwas, weil die Marsatmosphäre zwar dünn, aber nicht null ist. Es klingt für unsere Ohren ungewohnt: tiefer, leiser, ein bisschen „gedämpft“. Der Rover Perseverance hat tatsächlich Audioaufnahmen mitgebracht, die genau das zeigen. Auf dem erdähnlichen Mond dagegen, der praktisch keine Atmosphäre hat, würde derselbe Stein lautlos kullern.

Klassische Physik in einem Bild: ohne Mitspieler keine Welle. Eigentlich logisch. Aber wer im Kino aufwächst, muss erst einmal umgewöhnen.

Eine kleine Geschichte des Vakuums

Die Frage, ob es überhaupt ein Vakuum geben kann, hat Physiker und Philosophen jahrhundertelang beschäftigt. Aristoteles war überzeugt: die Natur scheue das Vakuum. Bis ins 17. Jahrhundert hat man das geglaubt. Erst Evangelista Torricelli hat 1643 mit einer Quecksilbersäule gezeigt, dass über der Säule ein Raum entsteht, in dem nichts mehr ist. Otto von Guericke hat dann in Magdeburg sein berühmtes Halbkugel-Experiment vorgeführt: zwei zusammengelegte Metallhalbkugeln, Luft rausgepumpt, anschließend ließen sich selbst 16 Pferde nicht trennen.

Das Magdeburger Experiment ist übrigens auch akustisch interessant, weil die Halbkugeln, einmal evakuiert, bei einem starken Schlag von außen einen erstaunlich dumpfen Klang abgeben. Außen schwingt das Material, innen kann sich der Schall nicht ausbreiten. Wenn man die Hand auflegt, spürt man die Vibration, aber das Ohr daneben hört kaum etwas.

Schallgeschwindigkeit und Dichte

Eine schöne Konsequenz aus der Tatsache, dass Schall ein Medium braucht: seine Geschwindigkeit hängt davon ab, wie eng die Teilchen zusammensitzen. In Luft auf Meereshöhe sind es etwa 343 Meter pro Sekunde. In Wasser, einem viel dichteren Medium, fast 1500. In Stahl sogar rund 5000. Wer also schon mal die Schiene angefasst hat, bevor der Zug ankam, hat das selbst gespürt: in der Schiene reist der Schall viel früher zum Ohr als durch die Luft.

Das ist auch der Grund, warum Wale über Hunderte Kilometer kommunizieren können. Wasser leitet Schall ausgezeichnet, und Wale nutzen das Tieftonfenster, in dem Absorption besonders gering ist. Vakuum-frei sozusagen.

Quantenmechanik hat einen Ruf wie Donnerhall: Schrödingers Katze, Heisenbergsche Unschärfe, Welle-Teilchen-Dualismus. Klingt nach Tafel voll Mathematik und Kopfschmerzen. Ist sie auch, sobald man es ernsthaft betreibt. Aber die Grundideen lassen sich ohne eine einzige Formel beschreiben. Hier sind fünf davon. Wer Lust auf den nächsten Schritt hat, findet danach genug Lehrbücher. Wer einfach nur verstehen will, worüber alle reden, ist hier richtig.

1. Quanten sind Pakete, keine Bröckchen

Der Name kommt von „quantum“, was so viel wie „Menge“ oder „Portion“ heißt. Max Planck hat 1900 entdeckt, dass Energie in der Natur nicht kontinuierlich fließt, sondern in winzigen festen Portionen ausgetauscht wird. Stell dir eine Treppe vor statt einer Rampe. Du kannst auf Stufe 1 stehen oder auf Stufe 2, aber nicht auf Stufe 1,5. Was du auf einer Treppe nicht kannst, kann ein Elektron in einem Atom auch nicht. Es darf nur bestimmte Energiezustände einnehmen, dazwischen ist nichts.

Im Alltag merken wir das nicht, weil die Stufen so winzig sind. Bei einem Tennisball gehen wir gefühlt eine glatte Rampe hoch. Bei einem einzelnen Elektron sind die Stufen plötzlich riesig im Vergleich zu seiner Größe.

2. Teilchen sind manchmal Wellen

Das ist die berühmte Welle-Teilchen-Dualität. Ein Elektron, das auf einen Detektor trifft, hinterlässt einen kleinen Punkt, also ein klares Teilchen-Verhalten. Lässt man aber sehr viele Elektronen durch zwei parallele Schlitze laufen, ergibt sich auf dem Schirm dahinter ein Streifenmuster, das man nur erklären kann, wenn jedes einzelne Elektron sich als Welle ausbreitet und mit sich selbst überlagert.

Anschaulich nicht zu erklären, weil unser Gehirn auf Bälle und Wellen sortiert ist und Quantenobjekte beides gleichzeitig sind. Das Schlauste, was man dazu sagen kann, hat Richard Feynman geschrieben: niemand versteht das wirklich. Man rechnet damit, und es passt.

3. Ort und Impuls passen nicht beide gleichzeitig

Die Heisenbergsche Unschärferelation wird oft mit „der Beobachter beeinflusst das Experiment“ verwechselt. Das ist nicht ganz falsch, aber zu kurz. Der eigentliche Punkt ist tiefer: Ein Quantenobjekt hat gleichzeitig keinen scharfen Ort und keinen scharfen Impuls. Nicht weil wir zu schlechte Messgeräte hätten, sondern weil die Natur selbst beide Eigenschaften nicht beliebig genau festlegt.

Je genauer ich den Ort eines Elektrons kenne, desto unschärfer ist sein Impuls. Und umgekehrt. Das ist kein Mess-Problem, sondern eine Eigenschaft der Wirklichkeit. Verdaut sich nicht leicht, ist aber experimentell tausendfach bestätigt.

4. Überlagerung statt Entweder-Oder

Ein klassisches Bit ist entweder 0 oder 1. Ein Quantenobjekt kann sich in einer Überlagerung beider Zustände befinden, solange niemand misst. Das ist die Grundlage für Quantencomputer. Und es ist auch das, worauf Schrödingers Katze hinweist: solange die Box zu ist, ist die Katze in einem Mischzustand aus „lebt“ und „tot“. Klingt wie ein schlechter Scherz, ist aber genau der Punkt, den Schrödinger machen wollte: dass diese Beschreibung absurd wirkt, sobald man große Objekte anschaut, obwohl sie für kleine Objekte funktioniert.

In der Praxis sehen wir die Überlagerung nie direkt. Sobald wir messen, „kollabiert“ sie zu einem der möglichen Ergebnisse. Wieso das passiert, ist eine der offenen Fragen der Physik bis heute. Es gibt verschiedene Deutungen, keine ist abschließend bewiesen.

5. Verschränkung: getrennt, aber nicht unabhängig

Das ist das Konzept, das Einstein zeitlebens skeptisch gemacht hat. Zwei Teilchen können so erzeugt werden, dass sie als ein gemeinsames System beschrieben werden müssen. Misst man eines, ist sofort klar, was das andere zeigen wird, selbst wenn beide Kilometer voneinander entfernt sind. Es fließt keine Information schneller als das Licht, aber die Korrelation ist real und experimentell vielfach geprüft.

Für Anwendungen wie Quantenkryptographie ist das die zentrale Zutat. Für unseren Alltag bedeutet es zumindest: die Welt ist auf der untersten Ebene anders verzahnt, als das klassische Bild eines Universums aus lauter unabhängigen Klötzchen suggeriert.

Schlusswort eines Halbverstehers

Wer diese fünf Punkte sortiert im Kopf hat, kann jedem Smalltalk über Quantenphysik gelassen folgen. Die Mathematik dahinter ist anspruchsvoll und gehört ins Studium. Die Ideen selbst sind weniger schlimm als ihr Ruf. Sie sind nur nicht intuitiv, weil sich unser Gehirn an der Welt der mittelgroßen Dinge geschult hat, und Atome eben keine sehr kleinen Murmeln sind.

Wenn euch ein Thema besonders interessiert, schreibt mir, dann widme ich einem davon einen eigenen Beitrag. Doppelspalt-Experiment zum Beispiel hätte einen eigenen verdient.

Häufige Missverständnisse

Drei Behauptungen, die in populären Texten immer wieder auftauchen und die man entspannt zurückweisen darf:

• „Quantenphysik beweist, dass alles möglich ist.“ Nein. Quantenmechanik macht sehr präzise Vorhersagen über Wahrscheinlichkeiten. Sie öffnet nicht beliebig viele Türen, sondern gerade so viele, wie die Schrödingergleichung erlaubt.
• „Bewusstsein beeinflusst das Experiment.“ Wer das ernsthaft behauptet, hat meistens Esoterik im Sinn, nicht Physik. Was den Kollaps der Wellenfunktion auslöst, ist Wechselwirkung mit der Umgebung, sogenannte Dekohärenz, nicht ein menschlicher Beobachter.
• „Mit Quantenmechanik kann man Information schneller als Licht senden.“ Falsch. Verschränkung erzeugt Korrelationen, aber kein Signal, das man steuern könnte. Die Lichtgeschwindigkeit als Höchstgrenze gilt weiterhin.

Wo Quantenmechanik im Alltag steckt

Auch wenn die Effekte exotisch wirken: ohne Quantenmechanik gäbe es weder LEDs noch Laser noch Halbleiter. Das ganze elektronische Gerät, auf dem du diesen Text liest, funktioniert nur, weil Elektronen sich in Festkörpern wie Wellen verhalten. Die Energiebänder, die einen Transistor schalten lassen, sind direkt aus den oben skizzierten Prinzipien herleitbar.

Auch die Kernspintomographie im Krankenhaus, GPS-Satelliten mit ihren Atomuhren, der Tunneleffekt in Flash-Speichern: alles Quanten. Wer also sagt „Quantenphysik ist nur was für Theoretiker“, sollte beim nächsten Blick aufs Smartphone kurz innehalten.

Eine der ältesten Fragen, die Kinder Eltern stellen: Warum ist der Himmel blau? Und eine der Fragen, die selbst Physik-Lehrer manchmal etwas ungenau beantworten. Ich gebe zu, ich habe das früher auch mit „weil das Licht so gebrochen wird“ abgekürzt und gehofft, dass keiner nachfragt. Heute mache ich es ordentlich.

Worum es nicht geht

Vorab das Wichtigste: Der Himmel ist nicht blau, weil sich das Blau des Meeres spiegelt. Dieses Märchen hält sich erstaunlich hartnäckig. Wer mal über einem Wüstengebiet oder über Mitteleuropa im Winter geflogen ist, sieht denselben blauen Himmel ohne Meer in Sichtweite. Die Erklärung muss also in der Atmosphäre selbst stecken.

Sonnenlicht ist gemischt

Sonnenlicht sieht für uns weiß aus, ist aber in Wirklichkeit eine Mischung aus allen Farben des sichtbaren Spektrums, also von Rot über Gelb und Grün bis Violett. Das hat Isaac Newton schon im 17. Jahrhundert mit einem Prisma gezeigt. Jede dieser Farben entspricht einer bestimmten Wellenlänge: Rot ist mit etwa 700 Nanometern die längste Welle, Violett mit etwa 380 Nanometern die kürzeste.

Wenn dieses Licht in die Erdatmosphäre eintritt, trifft es auf Moleküle, hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff. Die sind viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Und genau das ist der Punkt.

Rayleigh-Streuung: kurz ist stark

Wenn Licht auf Teilchen trifft, die deutlich kleiner sind als seine Wellenlänge, wird es gestreut. Dieses Phänomen heißt nach seinem Entdecker Rayleigh-Streuung. Das Entscheidende ist die mathematische Form: die Streuintensität ist proportional zu eins durch die vierte Potenz der Wellenlänge. In Worten heißt das: kurze Wellen werden viel stärker gestreut als lange.

Wie viel stärker? Wenn man Blau (etwa 470 nm) mit Rot (etwa 680 nm) vergleicht, ergibt sich ein Verhältnis von ungefähr 1 zu 4,4. Blau wird also rund viereinhalbmal so stark in alle Richtungen verteilt wie Rot. Genau das sehen wir am Himmel: Das blaue Licht erreicht unser Auge nicht direkt aus Richtung Sonne, sondern aus der ganzen Atmosphäre.

Warum nicht violett?

Hier kommt der Punkt, an dem die meisten Erklärungen aufhören. Denn wenn kürzere Wellen stärker gestreut werden, müsste der Himmel eigentlich violett aussehen. Violett hat ja noch kürzere Wellen als Blau. Warum tut er das nicht?

Zwei Gründe. Erstens: Die Sonne sendet weniger Licht im violetten Bereich aus als im blauen. Das Strahlungsspektrum unserer Sonne hat sein Maximum im grün-gelben Bereich, nimmt nach beiden Seiten ab, und für Violett bleibt einfach weniger übrig. Zweitens, und das ist der eigentliche Knackpunkt: unser Auge. Die Zapfen in der Netzhaut sind für Blau viel empfindlicher als für Violett. Das Auge sieht das wenige Violett, das oben ankommt, einfach kaum.

Was wir als „Himmelblau“ wahrnehmen, ist also eine Mischung aus tatsächlich vorhandenem blauem Streulicht, einem kleinen Anteil Violett, einem Rest von Grün und unserer eigenen Wahrnehmung obendrauf.

Und der rote Sonnenuntergang?

Gleicher Effekt, andere Geometrie. Wenn die Sonne tief steht, läuft ihr Licht durch eine viel dickere Schicht Atmosphäre, bevor es uns erreicht. Auf diesem langen Weg wird das Blau fast komplett weggestreut. Übrig bleiben die langen Wellen: Rot und Orange. Deswegen wird der Himmel am Horizont bei Sonnenuntergang warm-orange, manchmal dramatisch rot, vor allem wenn zusätzlich Staub oder Asche in der Luft schwebt. Nach Vulkanausbrüchen sehen Sonnenuntergänge oft monatelang besonders intensiv aus.

Was man daraus lernen kann

Die Antwort auf eine Kinderfrage führt durch drei verschiedene Themenfelder: Wellenoptik, Sonnenphysik, Sinnesphysiologie. Genau das ist es, was mich an der Physik bis heute fasziniert: scheinbar harmlose Fragen haben oft Antworten, die in mehrere Richtungen gleichzeitig zeigen. Und manchmal ist die kurze Antwort „Rayleigh-Streuung“ zwar richtig, aber eben nur die halbe Geschichte.

Beim nächsten klaren Sommertag mal kurz nach oben gucken und daran denken, dass das ganze Blau, das man sieht, eigentlich Licht ist, das sich in den letzten Sekundenbruchteilen an Luftmolekülen verirrt hat. Finde ich beruhigend.

Drei Stellen, an denen das Modell wackelt

Damit jetzt keiner glaubt, mit Rayleigh-Streuung ist die Sache erledigt: Es gibt mindestens drei Situationen, in denen die simple Erklärung an ihre Grenzen stößt.

• Wolken sind weiß, nicht blau. Wolken bestehen aus Wassertröpfchen, die viel größer sind als die Wellenlänge des Lichts. Hier greift nicht Rayleigh-, sondern Mie-Streuung. Die ist nicht so stark wellenlängenabhängig, also werden alle Farben ähnlich gestreut. Ergebnis: weißlich-grau.
• Nebel macht das gleiche. Auch hier sind die Teilchen groß. Deswegen verschluckt Nebel die Sonne in einem milchigen Schimmer, statt sie blau zu verfärben.
• Der Mars-Himmel ist tagsüber rötlich und am Horizont blau. Genau umgekehrt zur Erde. Liegt am dort hängenden roten Eisenoxid-Staub: Tagsüber dominiert die Staubstreuung, abends die Atmosphären-Streuung über große Distanzen.

Selbstversuch im Wohnzimmer

Wer Rayleigh-Streuung mit eigenen Augen sehen möchte: ein klares Wasserglas, einen Tropfen Milch, eine Taschenlampe. Milch hineinrühren, sehr wenig. Taschenlampe von der Seite durchstrahlen. Von der Seite betrachtet sieht man das Wasser leicht bläulich. Schaut man direkt durch das Glas in die Lampe, wirkt das Licht gelblich-orange, weil der blaue Anteil seitlich weggestreut wurde. Genau dasselbe macht die Erdatmosphäre, nur mit Sonne und Luftmolekülen statt Milch.

Ich habe das vor Jahren in der Schule gerne im Halbdunkel des Physikraums vorgeführt. Hat fast immer einen „Ach so!“-Moment ausgelöst. Und das ist eigentlich das Ziel jedes Physikunterrichts: ein paar Mal Ach-so im Jahr.