Welt der Naturwissenschaften
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27. Juli 2024

Im letzten Jahrzehnt des 19. Jahrhunderts nahm sich der junge Physiker Max Planck ein ungelöstes Problem der Physik vor. Es ging um die Strahlung eines „schwarzen Körpers“. Das ist ein dunkler Gegenstand, der auftreffende elektromagnetische Strahlung aufnimmt und in Wärmeenergie umwandelt. Schwarze PKWs erwärmen sich in der Sonne rascher als weiße. Schwarze Körper können auch Temperatur in Strahlung umwandeln. Wenn man eine Herdplatte einschaltet, gibt sie zunächst Wärme ab. Mit steigender Temperatur erscheint sichtbares Licht.

Schwarze Körper sind in der experimentellen Physik meist zylinderförmige dunkle Hohlräume mit einer kleinen Öffnung. Strahlung gelangt in den Hohlraum, wird absorbiert und bildet im Inneren ein Wärmegleichgewicht. Die Schwarzkörperstrahlung hängt nicht vom Material des schwarzen Körpers, sondern nur von der Temperatur ab. Die Verteilung der Wellenlängen der Strahlung, das sogenannte „Spektrum“, verläuft dabei stets nach dem gleichen Muster. Es musste also ein unbekanntes Naturgesetz hinter der Strahlung stecken, und Planck wollte der Sache auf den Grund gehen. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts führten die Physiker Otto Lummer und Ernst Pringsheim sorgfältige Messungen mit schwarzen Körpern durch und veröffentlichten ihre Ergebnisse, die Planck unter eine mathematische Lupe nahm.

Maturanten wissen in der Regel, wie man an mathematische Funktionen Tangenten anlegt. Man kann damit die Richtung der Funktion in jedem beliebigen Punkt berechnen. Genau das versuchte Max Planck, aber das Resultat nervte ihn. Die Energieverteilungskurve der Schwarzkörperstrahlung zeigte unter der mathematischen Lupe keinen gleichmäßigen Anstieg, sondern eine winzige Treppe. Die Energie der Strahlung glitt nicht gleichmäßig von einem Wert zum nächsten, sondern sprang gewissermaßen eine mikroskopisch kleine Treppe hinauf oder hinunter. Planck glaubte zunächst, er hätte einen Fehler in seinen Rechnungen, aber es ließ sich keiner finden. Energieänderungen erfolgen demnach nicht gleichmäßig, sondern in bestimmten Mengen. Menge heißt im Lateinischen „Quantum“. Die Mindestmenge der übertragbaren Energie nennt man heute „Plancksches Wirkungsquantum“, es ist ein Zahlenwert an der vierunddreißigsten Stelle hinter dem Komma. Max Planck hat im Jahr 1900, als er zufällig auf die Idee kam, eine Funktion mathematisch zu zerlegen, die Quantenphysik begründet. 

"Natura non facit saltus" - die Natur macht keine Sprünge. Das vom Philosophen Aristoteles verkündete Prinzip war von Max Planck über Nacht durch die Entdeckung des Quantensprungs widerlegt worden. Plancks Entdeckung revolutionierte die Naturwissenschaften nachhaltig.

Planck und Bohr

Helden der Wissenschaft:
Max Planck
(1858-1947) entdeckte den Quantensprung, das Allerkleinste, was die Natur an Energie zu bieten hat. In der Folge versuchte er mehrfach, seine eigene bahnbrechende Theorie zu widerlegen, was ihm nicht gelang.