Die Quantenmechanik hat die Welt der Physik revolutioniert. Denn sie hat es der Forschung ermöglicht, weiter hineinzuzoomen. Im Gegensatz zu den klassischen Theorien der Physik kann sie Eigenschaften und Verhalten von Materie im atomaren und subatomaren Bereich beschreiben. Besonders spannend wird es, wenn man diese modernen Erkenntnisse über Quantenobjekte mit den Klassikern verbindet — zum Beispiel mit der Theorie der Thermodynamik.
Auch die hat nämlich noch immer eine große Bedeutung für die Physik. Und das, obwohl sie bereits relativ alt ist: Die Wärmelehre entstand bereits im 19. Jahrhundert, dem Zeitalter der Dampfmaschine, und untersucht das Verhalten physikalischer Systeme bei Temperaturänderungen. Ihre Prinzipien gelten bis heute als unantastbar: Insbesondere der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, wonach sich jedes System mit der Zeit von einem Zustand der Ordnung hin zur Unordnung bewegt. Demnach nimmt die Entropie, das ist eine Art Maß für die Unordnung eines Systems, immer zu oder bleibt zumindest gleich.
Das hat Folgen für quasi alle Prozesse, die im Universum ablaufen. Ein Beispiel: Öffnet man das Fenster eines geheizten Zimmers, so erfolgt allmählich eine Abkühlung. Wärme geht vom Zimmer an die kühlere Umgebung über, nie in der umgekehrten Richtung.
Dieses Gesetz ist quasi unumstößlich, ein Verstoß wurde noch nie beobachtet und ist auch nicht zu erwarten. Aber warum eigentlich? Das ist unklar. Und einige Fachleute beunruhigt das. Sie sind nicht davon überzeugt, dass wir den zweiten Satz der Thermodynamik richtig verstehen oder dass er auf soliden Fundamenten ruht.
Quantenmechanik und Thermodynamik vereinen
Um diesem Zweifel nachzugehen, versuchen Forschende die Quantenmechnik mit den Lehren der Thermodynamik zu verbinden. Dabei scheinen mehrere Forschungsgruppen nun unabhängig voneinander zu Antworten gelangt zu sein, sagt Mike Zeitz, Physiker und Redakteur bei Spektrum der Wissenschaft.
Das Ganze hat auch einen praktischen Nutzen: Quantencomputer sollen die nächste große Revolution sein. Wir brauchen eine Theorie, um solche Maschinen zu beschreiben.
Mike Zeitz
Im Gespräch mit detektor.fm-Moderator Marc Zimmer erklärt Mike Zeitz Thermodynamik und Quantenmechanik und verrät, was es mit Entropie eigentlich auf sich hat. Dann geht er auf die aktuelle Forschung zum Thema ein und verdeutlicht, warum diese Fragen für die Welt der Physik so wichtig sind.