Die rätselhafte Verwandlung der Quanten

Wie der Übergang von der Quantenwelt zur klassischen Physik geschieht, ist bisher unbekannt. Wiener Physiker konnten nun erstmals zeigen, wie Quanteneigenschaften ab einer gewissen Anzahl von Teilchen verschwinden.

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Einstein – (c) EPA (Peer Grimm)

Die Wende vom 19. zum 20.Jahrhundert war eine revolutionäre Zeit. Jahrhunderte alte Ideen wurden verworfen und durch neue ersetzt. So auch in der Physik: Einige der intelligentesten Köpfe, die Europa je hervorgebracht hat, erkannten, dass die damals 200 Jahre lang gültigen Gesetze Newtons nicht ausreichten, um alle Eigenschaften unserer Welt zu beschreiben. Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Albert Einstein und andere warfen die sogenannte klassische Physik über Bord und entwickelten die Quantenphysik. Sie konnte endlich das Wesen der Atome, der kleinsten Teile unserer Materie, beschreiben und vorhersagen.

Diese neue Physik folgt teils unglaublich anmutenden Gesetzen. Sie besagen u.a., dass Materie nicht nur Masse, sondern immer auch Welleneigenschaften hat. Darüber hinaus sind die Eigenschaften der Teilchen nicht einmal eindeutig festgelegt. Sie sind nur zu einem gewissen Grad wahrscheinlich und verändern sich auch noch je nachdem, ob man sie misst oder nicht.

Auch mehr als 100 Jahre nach der Entwicklung der Quantenphysik bleiben aber noch grundlegende Fragen offen. Denn obwohl die Welt um uns – und auch der Mensch selbst – auf atomarer Ebene diese „verrückten“ quantenmechanischen Eigenschaften hat, erscheint die Welt um uns doch ganz normal. Newtons berühmter Apfel fällt trotz Entdeckung der Quantenmechanik noch immer zu Boden. Diese Diskrepanz – die Verbindung der Quantenphysik mit der klassischen Physik – bleibt bis heute ein Rätsel. Eine Forschergruppe um ERC-Preisträger Jörg Schmiedmayer am Atominstitut der TU Wien beschäftigt sich mit genau dieser Frage – u.a. in vom FWF und der EU geförderten Projekten.


Übergang messen. Nun konnten sie die Entstehung von klassischen Eigenschaften in einem quantenmechanischen System erstmals direkt beobachten (Nature Physics, 8.9.). Dazu entwickelten sie spezielle Versuchs- und Messmethoden, um den Übergang von quantenmechanischen zu klassischen Zuständen besser zu verstehen.

Sie nützen sogenannte Atomchips– eine neue Technik, mit der ein wesentliches Hindernis bei der Erforschung von quantenmechanischen Zuständen überwunden wurde: Sie ermöglicht die Beobachtung einer perfekt kontrollierten kleinen Wolke von Atomen mit einer überschaubaren Anzahl an Teilchen mit quantenmechanischen Eigenschaften. Beobachtet wird der Zustand des Gases mit einer speziell entwickelten Messmethode, die anhand von sogenannten Interferenzmustern den Zustand der Atomwolke beschreibt, ohne das Experiment zu beeinflussen.

In dem neuen Chip fangen die Forscher zuerst eine kleine, aus einigen tausenden Atomen bestehende Wolke in einem magnetischen Feld. Dieses „Minigas“ kühlen sie dann so lange, bis nahe am absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) die quantenmechanischen Eigenschaften auftreten– die Atomwolke erreicht schließlich einen Zustand namens Bose-Gas, den die Theoretiker schon vor 100 Jahren vorhergesagt haben. „Dann verhalten sich alle Atome exakt im Gleichklang“, erläutert Tim Langen, Leiter der aktuellen Studie. „Ein normales Gas verhält sich anders, da gibt es Chaos, wenn viele kleinste Teilchen wild durcheinanderfliegen.“ Nicht aber in diesem Moment extremer Kälte, in dem die Atome alle die gleichen quantenmechanischen Eigenschaften haben und sich theoretisch an allen Orten im Gas gleichzeitig befinden, also „delokalisiert“ sind.


Atomchips.
Da die Atome miteinander wechselwirken, beginnt sich mit einer gewissen Geschwindigkeit Unordnung auszubreiten. Dort, wo bereits Unordnung herrscht, verlieren die Atome ihre Quanteneigenschaften. Man kann ihnen dann, wie bei einem klassischen Gas, eine Temperatur zuordnen. „Wie schnell sich die Unordnung ausbreitet, hängt von der Anzahl der Atome ab“, so Langen. Dabei gibt es zu jedem Zeitpunkt eine klare Grenze zwischen dem Bereich, der bereits durch eine klassische Temperatur beschrieben werden kann, und dem Bereich, in dem die Quanteneigenschaften noch unverändert sind. Nach einer gewissen Zeit hat die Unordnung die gesamte Atomwolke erfasst. Die entscheidende Beobachtung ist, dass dies ohne Kontakt zur Außenwelt allein durch Quanteneffekte passiert – denn die Atome in den Gasen sind in dem Atomchip perfekt von der klassischen Außenwelt abgeschirmt. „Bisher konnte ein solches Verhalten nur vermutet werden, unsere Experimente beweisen, dass sich die Natur tatsächlich so verhält“, so Schmiedmayer.

Rätselhaft bleibt freilich nach wie vor, wie aus den Gesetzen der Quantenphysik die klassische Welt entsteht. „In der Quantenmechanik gibt es dieses Chaos gar nicht. Trotzdem haben klassische Systeme wie die Luft um uns ein chaotisches Gleichgewicht. Niemand weiß genau, wie sich aus der Quantenmechanik solche Gleichgewichtszustände ergeben“, so Langen.


Theorie und Praxis. Obwohl weiterhin nicht gänzlich erklärt werden kann, wie der Übergang passiert, konnten die Wiener Forscher aber nun mit ihren Experimenten den Schritt von der Quantenwelt in die klassische Welt genauer beschreiben. Sie fanden heraus, dass die klassischen Eigenschaften an jedem Punkt in dem Gas auftreten können und sich von dort aus wie ein Lichtkegel ausbreiten. Außerdem kann man den speziellen Übergangszustand mathematisch berechnen. Dies könnte auch eine theoretische Brücke zwischen der Welt der Quanten und der Newton'schen Welt sein.

Außer zur genaueren Erklärung, nach welchen Gesetzen das grundsätzlich funktioniert, könnten die neuen Erkenntnisse in näherer Zukunft auch bei ganz praktischen Dingen nützlich sein. Quantencomputer beispielsweise operieren gerade an dieser Grenze zwischen Quantenmechanik und klassischer Welt. Ein genaueres Wissen über die Dynamik von quantenmechanischen Systemen könnte die tatsächliche Umsetzung von Quantencomputern erst möglich machen und unsere Welt damit vielleicht wieder revolutionieren.

LEXIKON

Die Quantenmechanik wurde zwischen den Jahren 1925 und 1935 von Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, Wolfgang Pauli oder Niels Bohr entwickelt, weil die klassische Physik (und die älteren Quantentheorien) bei der Beschreibung der Vorgänge in Atomen versagt haben.

Aus der Theorie ergeben sich viele Aspekte, die der herkömmlichen Physik widersprechen – etwa die Heisenberg'sche Unschärferelation oder die Verschränkung von Teilchen. Wie Quantentheorie und klassische Physik zusammenhängen, ist weithin unbekannt.

Manche der sonderbaren Quanteneigenschaften sind dennoch die Basis für technische Anwendungen: von Laser- oder Röntgenstrahlung über die sichere Übertragung von Informationen („Quantenkryptografie“) bis hin zur Entwicklung von (sehr raschen) Quantencomputern.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 06.10.2013)

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