Das Rezept zum Verständnis der Quantenelektrodynamik

15.09.2015 | Alumni Focus

Von:  Monika Huber

Am 8. September 2015 lud die ETH Alumni Vereinigung im internationalen Jahr des Lichts und zum Abschluss der Scientifica zum spannenden Focus Event „Lichtblicke“ ein. Die Referenten Peter Seitz, Deputy Managing Director des Innovation and Entrepreneurship Labs, und Pascal Leuchtmann, Dozent am Departement Informationstechnologie und Elektrotechnik der ETH Zürich, machten es sich zum Ziel, den Teilnehmern die Grundlagen der Quantenelektrodynamik verständlich zu machen.

Die Rektorin Sarah Springman eröffnete die Abendveranstaltung in der Semperaula. „Es ist sehr wichtig, dass die Alumni und Alumnae die Verbindung zu ihrer Universität erhalten“, erläuterte sie und hiess die Anwesenden herzlich an ihrer Alma Mater willkommen.

Was ist Licht? 

„Wenn mich jemand nach meinem Beruf fragt, sage ich immer: Ich arbeite mit Licht“ eröffnete Peter Seitz den Vortrag. „Doch was ist Licht? Licht besteht aus einem Strom von Photonen, die kleinsten Teilchen des Lichts. Photonen haben keine Ladung, sie bewegen sich oder sind leblos. Wenn sie sich jedoch bewegen, dann mit Lichtgeschwindigkeit. Ein Photon kostet nicht viel, für einen Franken bekommt man bereits 2x1025 Photonen“, vereinfachte Seitz. „Photonen können unterschiedliche Strukturen aufweisen,, sie können weich oder hart sein. Es gibt auch sichtbare Photonen, die wir mit den Stäbchen und Zäpfchen unseres Auges wahrnehmen können.“ Unser Auge könne jedoch keine einzelnen Photonen erkennen, wir sehen nur den Strom und die Bewegung der Photonen.

Wie bewegen sich die Photonen?

Die Photonen suchen sich den Weg des kleinsten Widerstandes. „Ein Photon bewegt sich wie ein Bademeister, der einem Schwimmer in der Not helfen muss. Auch dieser versucht, den grössten Teil des Weges in der leichteren Materie zurückzulegen“, erläuterte Seitz. Die Gleichung zur Berechnung des Weges eines Photons ist die einzige wichtige Regel der Quantenelektrodynamik. Es berechnet, mit welcher Wahrscheinlichkeit die Photonen an ihrem Ziel ankommen. Die Quantenelektrodynamik kann demnach als Wechselwirkung von Licht und beladenen Punkt-Teilchen verstanden werden.

Wir können berechnen, aber nicht verstehen

"Die Natur lässt sich durch Mathematik berechnen. Wieso diese Berechnungen jedoch so präzise Ergebnisse erbringen, können wir nicht verstehen", so Seitz Doch ist das ein Problem? Peter Seitz betonte: "Nicht einmal der amerikanische Physiker Richard Feynman konnte uns eine Erklärung dafür geben. Auch er glaubte, dass die Natur absurd ist und sie sich mit gewissen Verhaltensweisen unserem Verständnis entzieht". Laut Seitz sei es deshalb nicht gravierend, dass wir das Rezept der Quantenelektrodynamik zwar anwenden, aber nicht verstehen können.

Von der Theorie zur Praxis

Pascal Leuchtmann erläuterte anschliessend, wie die Theorie der Quantenelektrodynamik in die Praxis übertragen werden kann. Ein eindrückliches Beispiel ist dabei die mobile Telefonie. „Wir sind permanent von elektromagnetischen Feldern und Strahlungen umgeben“ sagte Leuchtmann. „Die Intensität kann sich jedoch verändern.  Beim Telefonieren beispielsweise nimmt die Strahlenbelastung zu“, erläuterte Leuchtmann. Dazu zeigte er Ergebnisse verschiedener Studien, die genau diese Strahlenbelastung massen. Dabei wurde klar, nicht jede Strahlung ist gefährlich. Es wird unterschieden zwischen ionisierende und nicht ionisierende Photonen, nur die ionisierenden belasten die Gesundheit.

Von der Wissenschaft zur Wirtschaft

Peter Seitz betonte abschliessend, dass mit Licht in der heutigen Wirtschaft viel Geld generiert werden könne. „Der Markt für die Photonik ist in den letzten Jahren stark gewachsen. Der Handel mit Photonen macht einen grossen Teil unseres wirtschaftlichen Umsatzes aus, obwohl ein Photon doch so günstig ist“ sagte er mit einem Augenzwinkern.

Beim anschliessenden Apéro konnten sich die Teilnehmer mit den Referenten austauschen und noch mehr erhellende Momente erfahren.

Kleine Experimente mit Licht für zu Hause

 

1. Es gilt: Je kleiner ein Hindernis, desto konzentrierter die Streuung des Lichtes.

Test: Um dies zu überprüfen, kannst Du Deinen Daumen und den Zeigefinger aufeinander legen, bis nur noch ein kleiner Spalt offen bleibt und diesen gegen eine Lichtquelle ausrichten. Je kleiner dieser Spalt ist, desto deutlicher kannst Du das Licht als Strahl wahrnehmen und siehst, wie es sich nach dem Durchtritt durch die kleine Lücke, verteilt.

Achtung: Nicht direkt in die Sonne schauen!

2. Es gilt: Um die Bewegung der Photonen wahrzunehmen, zittert unser Auge. Es nimmt nur Bewegung wahr. Sobald das Auge still steht,  können wir nichts erkennen.

Test: Diese Situation kannst Du selber erzeugen, indem Du mit einem Finger auf das untere Augenlid drückst und so Dein Auge “fest hältst“. Nach einigen Sekunden kannst Du bereits nichts mehr sehen und alles wird schwarz.

Achtung: sehr vorsichtig ausprobieren!

 

 
 
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29.05.2017
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