Ob beim Scanner an der Supermarktkasse oder beim schnellen Internetsurfen durch Glasfaserkabel: Entwicklungen aus der Quantenphysik sind schon lange in unserem Alltag angekommen und weit verbreitet. In der neuen Sonderausstellung „Licht und Materie“ werden jetzt im Deutschen Museum quantenoptische Phänomene beleuchtet und greifbar gemacht. Mit zahlreichen Objekten, in Szenoramen und vor allem an vielen Mitmachstationen wird gezeigt, wie sich das Verständnis von der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie im letzten Jahrhundert gewandelt hat. Als Teil des Exzellenzclusters Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) bietet die Ausstellung nicht zuletzt auch einen Einblick in die aktuelle Forschung und einen Ausblick auf zukünftige Anwendungen.   

Hier geht es gleich zur Sache: Im Eingang zur neuen Sonderausstellung „Licht und Materie“ werden die Besucherinnen und Besucher in Photonen „verwandelt“. Der Bereich ist in einem zweigeteilten, abgedunkelten Raum mit zwei schmalen Durchgängen gestaltet. Und nachdem man einen davon durchschreitet, leuchtet auf der Rückwand ein Punkt an einer bestimmten Stelle auf. Wenn ganz viele „Photonen“ wie bei einem Lichtstrahl durch die Öffnungen gehen, entsteht ein wellenförmiges Interferenzmuster. Und schon ist man mitten im Thema, denn „die Verteilung der Punkte folgt dabei den Messergebnissen aus dem Doppelspaltexperiment – einem der Schlüsselexperimente der Physik“, sagt Eckhard Wallis, einer der Kuratoren der neuen Ausstellung.

Das Experiment und seine Geschichte werden im folgenden, dem eigentlich ersten Bereich der Ausstellung noch einmal näher erläutert und mit einer Demonstration greifbar gemacht. Hier geht es ganz grundsätzlich um die Frage: Was ist Licht? „Das ist natürlich mehr, als nur das für das menschliche Auge Sichtbare“, sagt Wallis, „man denke nur an Infrarotstrahlen oder ultraviolettes Licht.“ Letztlich wird das Licht in die Reihe der elektromagnetischen Strahlen eingeordnet, mit physikalischen Eigenschaften von Wellen und von Teilchen und der Aussage, dass Licht seine Energie nur in kleinen Portionen – den Quanten – abgeben kann.

Was man mit dieser Erkenntnis in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts angefangen hat, erfährt man beim weiteren Rundgang durch die Ausstellung: Zunächst hatte die „Spektroskopie“, bei der  elektromagnetische Strahlung in ihre Anteile mit unterschiedlichen Wellenlängen zerlegt wird, eine Blütezeit. „Durch die Spektroskopie gewann die Forschung wichtige Erkenntnisse über den Aufbau von Atomen und Molekülen, also über die Struktur der Materie“, sagt Johannes-Geert Hagmann, einer der Kuratoren der Ausstellung und Bereichsleiter Forschung am Deutschen Museum.

Spezielle Messtechniken wurden entwickelt und immer weiter verfeinert. Technologien, die im Kontext der Forschungsförderung im Zweiten Weltkrieg und während des Kalten Krieges aus diesem neuen Wissen entstanden, sind zum Beispiel Radar oder Maser (microwave amplification by stimulated emission of radiation, Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung). „Die Ausstellung zeigt neue Erkenntnisse der historischen Forschung zu Naturwissenschaft und Technik im 20. Jahrhundert. Sie unterstreicht auch, dass damals wie heute Wissenschaft und Technik stets in Wechselwirkung mit vielfältigen gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und politischen Rahmenbedingungen stehen und nicht isoliert agieren“, sagt Hagmann.

Vom Maser zum Laser (light amplification by stimulated emission of radiation) geht es weiter im nächsten Ausstellungsbereich. Hier gibt es unter anderem Originalteile aus einem Laser von Theodore Maiman zu sehen, der 1960 das erste funktionsfähige Gerät gebaut hatte. Keine vier Jahre später waren Laserstrahlen schon als fiese Waffe auf der Kinoleinwand im Einsatz. Die Szene, als „Goldfinger“ Gert Fröbe den Agenten 007 alias Sean Connery mittels Laser in zwei Hälften teilen will, haben die Werkstätten des Deutschen Museums ganz plastisch für die Ausstellung nachgebaut. „Neben solchen Szenoramen nutzen wir natürlich in allen Bereichen auch die klassischen Demonstrationen, um unseren Besucherinnen und Besuchern das anspruchsvolle Thema leichter begreiflich zu machen“, sagt Wallis.

Im nächsten, dem vorletzten Bereich der Ausstellung, geht es schließlich um die Quantenphysik des Lichts bis in die heutige Zeit. Da wird unter anderem ein Modell einer Magneto-Optischen Falle gezeigt, in der man Atome festsetzen und kontrollieren kann. Ein Szenorama erzählt die Geschichte der unbekannten Wissenschaftlerin Alice Golsen, die als Erste den Strahlungsdruck genau vermessen hatte. Und es wird die Original-Apparatur zur Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats präsentiert, für dessen Entdeckung Wolfgang Ketterle im Jahr 2001 gemeinsam mit Eric Cornell und Carl Wiemann den Nobelpreis für Physik erhalten hat. Aber auch ein Quantencomputer ist zu sehen, der schon einen Ausblick auf künftige technologische Entwicklungen gibt.

Die Menschen, die hinter dieser Forschung stehen, kann man im letzten Bereich der Ausstellung kennenlernen. Im MQCST-Modul stellen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf einem interaktiven Bildschirm ihre aktuellen Projekte vor. Da geht es zum Beispiel um Ansätze zur Realisierung von Quantencomputern und die Forschenden verraten, wie sie zu ihrem Beruf gekommen sind und was sie an ihrer Arbeit begeistert. Und nicht zuletzt gibt es einen „Briefkasten“, durch den man mit den Quantenspezialisten in Dialog treten kann.

„Diese Ausstellung ist ein ganz fantastisches Beispiel für zeitgemäße  Wissenschaftskommunikation“, sagt Wolfgang M. Heckl, der Generaldirektor des Deutschen Museums. „Hier kommt die Forschung auf dem direkten Weg in die Gesellschaft, präsentiert ihre Ergebnisse, stellt sich den Rückfragen und bekommt im besten Fall dadurch sogar neue Anregungen.“ Wie aktuell und bedeutend das Thema ist, zeigt sich auch daran, dass die Vereinten Nationen gerade das kommende Jahr 2025 zum internationalen Jahr der Quantenwissenschaften und -technologien ausgerufen haben. „Dank der Zusammenarbeit mit dem MCQST können wir mit ‚Licht und Materie‘ jetzt schon den Menschen ein grundlegendes Verständnis dafür vermitteln“, freut sich Generaldirektor Heckl.

Das Exzellenzcluster „Munich Center for Quantum Science and Technology“ bündelt die intensive Forschung zu Quantenwissenschaften und -technologien in München und Umgebung und wird seit 2019 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. „MCQST ist sehr stolz darauf, das Deutsche Museum als Partner zu haben. Dies ist eine herausragende Gelegenheit, um unsere Faszination für die Quantenwissenschaft zu teilen. Es ist uns eine Ehre, an dieser außergewöhnlichen Ausstellung mitzuwirken, die einem breiten Publikum die wegweisenden Entwicklungen in diesem Forschungsbereich zugänglich macht“, sagt Ignacio Cirac, ein Sprecher des Clusters.

Bayerns Wissenschaftsminister Markus Blume zeigt sich begeistert: „Innovativ, interaktiv, informativ: Mit Nobelpreis-geadelten Ausstellungsstücken und einer nachgebauten James-Bond-Szene vermittelt die Sonderausstellung ‚Licht und Materie‘ auch Laien in Lichtgeschwindigkeit die Grundlagen und Möglichkeiten hochkomplexer Quantenphysik – das ist großes Kino der Wissenschaftskommunikation! Dank der Kooperation mit dem MCQST präsentiert sich das Deutsche Museum dabei auf einer Wellenlänge mit unseren exzellenten Wissenschaftseinrichtungen im Freistaat und lebt seinen Spirit eines Forschungsmuseums von Weltrang: raus aus dem Labor, rein ins Leben!“

Mit „Licht und Materie“ ist eine chronologische und thematische Fortsetzung der Ausstellung „Klassische Optik“ entstanden. Während in der „Klassischen Optik“ die Ausbreitung von Licht in Strahlen und Wellen im Vordergrund steht, geht es bei „Licht und Materie“ darum, wie sich das Verständnis von der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie im letzten Jahrhundert gewandelt hat und wie wir diese Erkenntnisse nutzen können. Zu sehen und zu erleben ab 19. Juni 2024 im Deutschen Museum.

Licht und Materie – Daten und Fakten

• Fläche 250 Quadratmeter, Sonderausstellungsfläche in der Eingangshalle
• 5 Bereiche (Was ist Licht?, Spektroskopie, Laser, Quantenphysik des Lichts, MCQST-Modul)
• 86 Objekte
• 24 Demonstrationen
• 5 Medienstationen
• 6 Modelle
• 6 Szenoramen
• Eröffnung am 19. Juni 2024, Laufzeit bis Ende 2025 (im Anschluss Teil der neuen Dauerausstellung Physik nach Abschluss der Renovierung des Deutschen Museums)

Das Exzellenzcluster “Munich Center for Quantum Science and Technology”
Im MCQST arbeiten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen an interdisziplinären Forschungsfragen, die alle Aspekte der Quantenwissenschaften von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung abdecken. Ziel ist es, Quanteneffekte wie Verschränkung zur erforschen und nutzbar zu machen. So können neue Quantentechnologien entwickelt werden, wie beispielsweise hochempfindliche Sensoren, abhörsichere Kommunikation und Quantencomputer. Neben einem strukturierten und langfristig angelegten Forschungsprogramm bietet MCQST auch die Möglichkeit, aktuelle Fragen und Ideen aufzugreifen und durch gezielte Maßnahmen zu fördern. Diese kommen bevorzugt Nachwuchswissenschaftlern zugute. Durch internationale Konferenzen und Workshops, ein Gästeprogramm und wissenschaftlichen Austausch mit anderen Forschungszentren möchte MCQST die Sichtbarkeit des Standorts München erhöhen. Ziel des MCQST ist es, ein weltweit führendes Zentrum in der Quantenwissenschaft und -technologie zu werden. Neben der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Technischen Universität München, sind das Max-Planck-Institut für Quantenoptik, das Walther-Meißner-Institut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und das Deutsche Museum als Partner an MCQST beteiligt.