Physik-Nobelpreis: Wie misst man, ohne zu zerstören?

Ausgezeichnet werden heuer der Franzose Serge Haroch und der US-Amerikaner David Wineland, für grundlegende Experimente an Quantenzuständen.

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(c) AP (Christophe Lebedinsky)

Ein Elektron, das nicht gemessen wird, ist kein wirkliches Einzelwesen.“ So sentenziös fasste der US-Physiker Shimon Malin eine der grundlegenden Seltsamkeiten der Quantentheorie: Sie ist eine statistische Theorie, sie beschreibt Wahrscheinlichkeiten. So kann ein Quantenteilchen – ob ein Photon, ein Elektron oder gar ein ganzes Atom – zur selben Zeit an mehreren Orten sein: Die Wellenfunktion, mit der man das Teilchen beschreibt, erzählt etwas über die Wahrscheinlichkeiten, mit der es an diesen Orten ist. Die Quantenphysiker sagen: Das Teilchen befindet sich in einer Überlagerung (Superposition) aus mehreren Zuständen.

Und wenn man es an einem dieser Orte, in einem dieser Zustände misst? Es sozusagen festnagelt? Dann, so sagen die Physiker, kollabiert die Wellenfunktion, die Überlagerung zerfällt, man nennt das auch Dekohärenz. Genau das steckt hinter dem viel zitierten Paradoxon von Schrödingers Katze: Sie sitzt in einer Kiste, in der sich auch ein radioaktives Atom befindet, das jederzeit zerfallen kann oder auch nicht. Also beschreibt die Quantenphysik seinen Zustand als Überlagerung von zerfallen und nicht zerfallen. Das Atom ist aber durch einen teuflischen Mechanismus so an eine Zyankali-Flasche gekoppelt, dass diese das Gift freigibt, wenn das Atom zerfällt, und dann stirbt die Katze. Solange das Tier unbeobachtet in seiner Kiste ist, ist es in den Augen der Quantenphysiker in einem Überlagerungszustand aus lebendig und tot. Wenn man die Kiste öffnet und damit die Katze beobachtet, also ihren Zustand „misst“, gibt es zwei Möglichkeiten: Sie ist lebend oder tot. In der Hälfte der Fälle muss man mit einem englischen Sprichwort sagen: Curiosity killed the cat.

 

Achtung, die Wellenfunktion kollabiert!

Darüber lässt sich gut grübeln. Aber es hat auch praktische Bedeutung. Die Quantencomputer, an deren Entwicklung viele Physiker arbeiten, sollen genau die Überlagerung von Zuständen nützen, um mehrere Rechenvorgänge auf einmal zu schaffen. Wenn man Ergebnisse ablesen will, muss man allerdings die Wellenfunktion kollabieren lassen. Der Kollaps der Wellenfunktion ist aber auch eine stete Gefahr: Jede Wechselwirkung mit der Umwelt kann ihn auslösen, Quantenzustände sind da sehr empfindlich.

Kann man sie beobachten, ohne sie zu zerstören? Und wie? Diese Frage – die auch den österreichischen Physiker Anton Zeilinger intensiv beschäftigt hat – war ein Anstoß für die Experimente der beiden neuen Nobelpreisträger. Beide haben mit „cat-states“ gearbeitet: Dieser Name kommt von Schrödingers Katze und steht für Überlagerungszustände, etwa von mehreren Ionen, die jeweils in Fallen gefangen sind. Haroche und Wineland untersuchten, wie solche Zustände durch kontrollierte Wechselwirkung mit Laserlicht zerfallen. In anderen Versuchen verschränkte Haroche ein elektromagnetisches Feld, in dem die Photonen in „cat-states“ waren, mit Atomen; dabei steht das Wort „Verschränkung“ auch für einen quantenmechanischen Effekt, der kein Pendant in der „großen Welt“ hat. Wo denn die Grenze zwischen „kleiner“ und „großer“ Welt verlaufe, ist freilich keine blöde Frage: Auch das kann man durch Beobachtung des kontrollierten Übergangs von einer Quanten-Überlagerung zu einem „klassischen“, definierten Zustand untersuchen.

Das Fangen von Ionen ist wie die gezielte Verschränkung von Photonen und Ionen eine hohe Kunst, die auch Physiker in Innsbruck gut beherrschen. So ist es kein Zufall, dass in der Aussendung des Nobelpreiskomitees die Namen österreichischer Physiker fallen, von Rainer Blatt bis Peter Zoller, der für die Theorie solcher Zustände viel geleistet hat. Man kann ohne patriotische Anmaßung sagen: Diesmal ist der Nobelpreis nahe an Österreich vorbeigegangen. Doch Physiker kennen keinen Neid: Ihn verbinde mit beiden neuen Laureaten eine Freundschaft, sagte Blatt, eine „ausgezeichnete Wahl“.

Die zwei neuen Physik-Nobelpreisträger

Serge Haroch, geboren am 11. 9. 1944 in Casablanca, ist Franzose, er erhielt seine Ausbildung in Paris, dort arbeitet er auch. Den Preis konnte er zunächst „schwer fassen“, er musste sich niedersetzen. Dann reagierte er doch: „Ich werde Champagner trinken und dann ins Labor gehen.“

David Wineland, geboren am 24.2.1944 in Milwaukee, studierte in Berkeley und Harvard, er arbeitet am National Institute of Standards and Technology in Boulder. 2010 erhielt er gemeinsam mit Ignacio Cirac und dem Tiroler Peter Zoller die Benjamin Franklin Medal in Physics. [AP, Reuters]

("Die Presse", Print-Ausgabe, 10.10.2012)

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