Ja, wie sehen denn nun Atome eigentlich aus? Nicht nur ein Kindermund könnte diese vermeintlich einfache Frage stellen. Spätestens seit der Jahrhundertwende und der nachfolgenden Entwicklung der Quantenphysik ist das Bild, das man sich von Atomen und Molekülen machen kann, ein eher unklares.
Sich ein Bild machen können – genau darauf hinaus will aber Bernd Thaller, Univ.-Professor für Angewandte Mathematik am Institut für Mathematik. Zu einem Lehrbuch hat er eine Software geschrieben, die anschaulich zeigt, wie Quantenmechanik funktioniert.

Visual Quantum Mechanics

Die Beispiele sind nicht nur formschön und elegant, sondern auch didaktisch und von der Benutzung her so geglückt, dass Thaller damit nicht nur in die Endausscheidung des „European Academic Software Award” vorstoßen konnte, sondern einer der zehn Preisträger war. Alle zwei Jahre werden hier 30 Finalisten aus ganz Europa und dem gesamten wissenschaftlichen Bereich ausgewählt. Heuer trafen sie sich Ende November im holländischen Rotterdam.
Darüber hinaus gab es für die Visual Quantum Mechanic eine besondere Erwähnung als „herausragende Innovation im Fachgebiet”. Diesmal sind es europaweit nur zwei physikalische Projekte, die anderen Preisträger kommen aus den Bereichen der Medizin und Biologie.
„Visual Quantum Mechanics” nennt sich das Lehrbuch, das Thaller verfasst hat und dem die Animationen beigelegt sind. Es handelt sich um kleine Filmsequenzen, die die Rechnungen und Überlegungen zur Quantenmechanik illustrieren. Im Gegensatz zu anderen Begleit-CD-Roms für Quantenmechanik-Bücher liegt hier die Betonung vor allem auf der Illustration. „In der Quantenmechanik stimmen viele intuitive Vorstellungen einfach nicht”, sagt Thaller. Durch klassische Vorstellungen (Elektron umkreist das Atom) werde man oft in die Irre geführt. Andererseits ist die Formelsprache, die man in der Quantenphysik verwendet, äußerst abstrakt. Die Visualisierung erfordert deshalb besondere Sorgfalt. „Es wird nicht Wirklichkeit selber gezeigt, sondern jene mathematischen Objekte, die ihrerseits die Wirklichkeit beschreiben”, erklärt Thaller. Denn die Eigenschaften im atomaren Bereich liegen in der Wellenfunktion verborgen, die selbst wenig Entsprechung in der Alltagserfahrung hat. „Die Quantenmechanik ist aber prädestiniert dafür, sie mit Hilfe von Computergrafiken zu illustrieren, weil es sonst praktisch überhaupt keine anderen Möglichkeiten gibt”, sagt Thaller. Ursprünglich programmierte er diese Grafiken, um seine Vorlesungen besser zu veranschaulichen. Diese Software wollte er anderen zugänglich machen und – als Unterstützung – eine Dokumentation schreiben. „Doch da hat sich schnell gezeigt, dass es gleich ein Buch wird, wenn man das vernünftig erklären will”, meint Thaller.

Ästhetisch ansprechende Bilder

Form, Farbe und Intensität nutzt Thaller bei seinen Objekten, um das dahinterliegende physikalische Konzept zu verdeutlichen. Daraus entstehen vor allem auch ästhetisch ansprechende Bilder. Weil es bewegte, dynamische Illustrationen sind, bekommen sie eine besondere Intensität. Neben dem eigentlichen Filmstreifen, der meist immer wieder wiederholt wird, sind in zusätzlichen Fenstern die entscheidenden physikalischen Parameter dargestellt. Das Navigieren durch die beigelegte CD-Rom ist ausgesprochen einfach gestaltet, um den User zu entlasten. Sowohl das Buch als auch die CD-Rom sind auf Englisch verfasst. In zwei Jahren soll ein zweiter Band erscheinen, der sich u. a. mit den Zukunftsaspekten der Quantenmechanik – Stichwort Quantencomputer – befasst. Thaller ist vor rund zehn Jahren mehr zufällig zur EDV gekommen. Schon bald haben ihn aber die Möglichkeiten fasziniert, welche anschaulichen Darstellungsformen sich mit Computergrafiken ergeben.

Bilder zum Nachdenken

Der Physiker/Mathematiker hat aber nicht "Bilderl-Schauen" im Auge, sondern will zum Nachdenken anregen. Er ist überzeugt, dass man sich der komplexen Physik im atomaren Maßstab auch mit Hilfe von klug gewählten Visualisierungen nähern kann. Die Effekte, die hier in wunderschönen farbigen Bildern dargestellt werden, erinnern in der Formenfülle vage an bekannte Darstellungen aus der Chaostheorie. Da wie dort ist es aber gar nicht einfach, die Darstellungen zu programmieren. Man muss die notwendigen Parameter sehr genau wählen, damit wirklich Atom-Zustände sichtbar werden, die an Kunstwerke erinnern und trotzdem sachlich den Studierenden weiterhelfen. Das erfordert viel Erfahrung mit der Materie, Fingerspitzengefühl und vor allem Arbeitsaufwand. Insgesamt stecken rund vier Jahre Arbeit in dem Lehrbuch (Springer Verlag/Telos), das seit Beginn des Semesters im Buchhandel erhältlich ist. Aber auch im Internet können Beispiele aus dem Buch bewundert werden.
Die aufwändige Produktion der 320 Filmsequenzen – die gesamte Software liegt im Quelltext vor und kann eigenen Zwecken angepasst werden – war aber nicht nur sehr arbeitsintensiv: „Mich hat das einfach selbst fasziniert. Man entwickelt dabei auch ein anderes, neues Gefühl für die Quantenmechanik und durchdringt dann die Materie neu.”

Norbert Swoboda

Unter www.uni-graz.at/imaww/vqm/ finden sich einige der instruktiven Kurzfilme.