Schockierende Quantenwelt - wissenschaft.de
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Schockierende Quantenwelt

Ein neues Experiment ist der mysteriösen Doppelnatur von Welle und Teilchen auf der Spur.

„Wer von der Quantenmechanik nicht schockiert ist, der hat sie nicht verstanden.“ Dieses Bonmot stammt von Niels Bohr, dem berühmten Mitbegründer jener fundamentalen Theorie über die Atome und das Licht. Tatsächlich hat die Quantenmechanik den gesunden Menschenverstand stärker erschüttert als alle anderen Entdeckungen der Wissenschaft – die Relativitätstheorie eingeschlossen. Ein neues Experiment beweist, daß die Quantenwelt sogar verrückter ist, als selbst Bohr es sich vorgestellt hat.

Schon in den zwanziger Jahren wurde klar, daß Materie und Strahlung zwei Gesichter besitzen, die sich gegenseitig eigentlich ausschließen: Sie haben entweder Teilchen- oder Wellencharakter – je nachdem, wie man sie mißt. Ein Beispiel für diese Janusköpfigkeit, von Bohr als Komplementarität bezeichnet, ist das Doppelspalt-Experiment. Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman nannte es einmal das zentrale Geheimnis der Quantenphysik.

Tritt Licht durch einen einzelnen Spalt, ist auf einem Schirm direkt dahinter die Helligkeit am größten. Bei zwei Spalten bilden sich jedoch nicht einfach zwei Helligkeitsmaxima heraus, wie man es bei einer bloßen Addition erwarten würde. Statt dessen entsteht durch Wechselwirkung der Lichtwellen ein Interferenzmuster – eine Art Berg- und Tallandschaft aus verstärkten und verminderten Helligkeiten. Dieses Wellenphänomen tritt aber nur dann in Erscheinung, wenn es unbestimmt ist, welchen Weg das Licht genommen hat. Wird die Bahn gemessen, zeigt das Licht dagegen seine Teilchennatur. Auf dem Schirm sind nur zwei helle Flekken hinter den Spalten zu sehen.

Bohr hat die Komplementarität von Teilchen- und Wellennatur mit der Heisenbergschen Unschärferelation erklärt. Danach ist in der Quantenwelt eine Beobachtung immer auch eine Störung des Systems: Der Meßprozeß bestimmt gleichsam die Natur der Dinge mit – eine Interpretation des Doppelspaltversuchs, die bis heute in den meisten Physiklehrbüchern vorherrscht.

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Von Richard Feynman stammt die Metapher, daß das Meßinstrument dem Meßobjekt gleichsam einen Tritt versetzt und es dadurch so stark aus der Bahn wirft, daß die Interferenz gelöscht wird.

Stephan Dürr, Thomas Nonn und Gerhard Rempe von der Universität Konstanz haben jetzt mit einem raffinierten Experiment gezeigt, daß dieser „Tritt“ über 10000mal schwächer ist als erforderlich, um das Interferenzmuster zu zerstören. „Die Komplementarität kommt nicht durch die Unschärferela- tion zustande“, lautet das Fazit der aufsehenerregenden Forschungsarbeit.

Statt Licht hatten die Physiker gekühlte Rubidium-Atome verwendet, die sie durch zwei stehende Lichtwellen anstelle eines Doppelspalts schickten. Unter einem geeigneten Winkel kommt es auch hier zu einer Ablenkung und Aufspaltung des Atomstrahls. Dabei bilden sich Interferenzmuster in der Häufigkeitsverteilung der Atome, die sich mit einem Laserstrahl messen lassen.

Wird das Atom-Interferometer in ein Mikrowellenfeld gehüllt, verschwindet das Interferenzmuster. Denn die Mikrowellen verwandeln die einzelnen Atome zu Meßinstrumenten, durch die der Weg der Atome gleichsam „bestimmt“ wird. Die durch das Mikrowellenfeld beeinflußte Drehrichtung (Spin) ihrer Elektronen speichert nämlich die Information, welchen Weg die Atome genommen haben. Dabei ist es unerheblich, ob diese Information mit einem Laserstrahl aus den Atomen tatsächlich herausgelesen wird.

Weil es das Mikrowellenfeld ermöglicht, die Flugbahnen der Atome zu identifizieren, wird das Interferenzmuster zerstört. Dies steht im Einklang mit den Gesetzen der Quantenmechanik. Die Impulsübertragung durch das Mikrowellenfeld auf die Atome und somit deren Geschwindigkeitsänderung ist jedoch außerordentlich gering, wie ihr anschließendes Verteilungsmuster beweist. Deshalb spielt die Unschärferelation hier praktisch keine Rolle – sie hätte die Häufigkeitsverteilung verschieben und verzerren müssen.

Nach den Erkenntnissen der Konstanzer Physiker kommt die Komplementarität statt dessen durch die quantenmechanische – und für unseren Alltagsverstand unanschauliche – Verschränkung zwischen der Bewegung der Atome und der Drehrichtung (Spin) ihres Außenelektrons zustande.

Dürr: „Verschränkung beschreibt die Tatsache, daß zwei Quantensysteme, die in Wechselwirkung miteinander treten, anschließend nicht mehr unabhängig voneinander beschrieben werden können. Sie bilden vielmehr eine kollektive Einheit, so daß eine Messung an einem der Systeme das andere System unmittelbar beeinflußt, selbst wenn die Systeme nicht mehr miteinander in Kontakt stehen.“ Das ist ungefähr so, als würde eine Radarfalle an einer Kreuzung plötzlich eine seltsame Verbindung zwischen der Fahrtrichtung eines Autos und seinem Blinker herstellen, so daß der Blinker nachträglich die Fahrtrichtung anzeigt.

Im Konstanzer Versuch wird die Verschränkung durch die Mikrowellen – die atomare Radarfalle – erzeugt. „Das Experiment bestätigt, daß die Verschränkung entscheidend ist für die Verrücktheit der Quantenwelt und das Auftreten der klassischen physikalischen Eigenschaften beim Übergang zu größeren Maßstäben“, sagt Peter Knight vom Imperial College in London. Sogar Niels Bohr hätte diese Erkenntnis wohl schockiert.

Rüdiger Vaas

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