Schroedinger Katze - Einfuehrung in die Quantenphysik.pdf - Wissenschaft - katasza1982

Inhalt

Vorbemerkung des Herausgebers

Eine Katze wird weltberühmt

Der Umsturz im Weltbild der klassischen Physik

Ist Licht Teilchen oder Welle?

Das Bohrsche Atommodell

Quantenzahlen bringen Ordnung in die Welt

Ein Experiment, an dem sich viele Diskussionen

entzündeten 39

Wellenfunktionen und Wahrscheinlichkeiten 46

Heisenbergs Unschärferelation 52

Tunneleffekt - Ereignisse, die eigentlich nicht passieren

dürften 60

Die geheimnisvolle Fernwirkung zwischen zwei Teilchen

Kosmologie und Multiweiten 74

Neueste Experimente aus der Welt der Quantenphysik 78

Wie die Quantenphysik unseren Alltag verändert

Schrödingers Katze

Laser 87

Supraleiter. 97

Quantenphysik in der Medizintechnik 103

Mikroelektronik und Datenspeicherung 105

Quantencomputer

Einführung in die Quantenphysik

Von

Brigitte Röthlein

109

Anhang

Glossar 114

Weitere Literatur 120

Mit Schwarzweißabbildungen von

Nadine Schnyder

122

by Berryl / T@lia - member of [dark]

Vorbemerkung des Herausgebers

stehen, die unser tägliches Leben verändern, allen voran der Laser in

seinen unzähligen Anwendungsbereichen.

Olaf Benzinger

Die Anzahl aller naturwissenschaftlichen und technischen

Veröffentlichungen allein der Jahre 1996 und 1997 hat die Summe der

entsprechenden Schriften sämtlicher Gelehrter der Welt vom Anfang

schriftlicher Übertragung bis zum Zweiten Weltkrieg übertroffen.

Diese gewaltige Menge an Wissen schüchtert nicht nur den Laien ein,

auch der Experte verliert selbst in seiner eigenen Disziplin den

Überblick. Wie kann vor diesem Hintergrund noch entschieden

werden, welches Wissen sinnvoll ist, wie es weitergegeben werden soll

und welche Konsequenzen es für uns alle hat? Denn gerade die

Naturwissenschaften sprechen Lebensbereiche an, die uns — wenn wir

es auch nicht immer merken - tagtäglich betreffen.

Die Reihe Naturwissenschaftliche Einführungen im dtv< hat es sich

zum Ziel gesetzt, als Wegweiser durch die wichtigsten Fachrichtungen

der naturwissenschaftlichen und technischen Forschung zu leiten. Im

Mittelpunkt der allgemeinverständlichen Darstellung stehen die

grundlegenden und entscheidenden Kenntnisse und Theorien, auf

Detailwissen wird bewußt und konsequent verzichtet.

Als Autorinnen und Autoren zeichnen hervorragende

Wissenschaftspublizisten verantwortlich, deren Tagesgeschäft die

populäre Vermittlung komplizierter Inhalte ist. Ich danke jeder und

jedem einzelnen von ihnen für die von allen gezeigte bereitwillige und

konstruktive Mitarbeit an diesem Projekt.

Lange stand sie im Zentrum der Ablehnung, die Quantenphysik,

geradezu klassisch geworden ist Einsteins Kommentar »Gott würfelt

nicht!« Und in der Tat, es ist schon schwer zu

verstehen, daß hinter all den festen und unverrückbaren Naturvorgängen

unserer sinnlich erlebbaren Welt im Bereich der kleinsten Dimensionen

ausschließlich das Prinzip Zufall herrscht, das sich lediglich statistisch

erfassen läßt. Brigitte Röthlein zeigt aufseht lebendige Weise, wie es die

Quantentheoretiker dennoch geschafft haben, ihr Ideengebäude in der

Physik zu etablieren. Ausgehend von der schon Jahrhunderte alten

Diskussion um den Wellen- bzw. Teilchencharakter des Lichts über Max

Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bohr, Werner Heisenberg oder Richard

Feynman führte der Weg, an dessen gegenwärtigem Stand Techniken

Eine Katze wird weltberühmt

Das Szenario könnte von einem Tierquäler stammen: Man stelle sich

eine Kiste vor, in die man nicht hineinsehen kann und aus der keine

Geräusche nach außen dringen. In dieser Kiste sitzt eine Katze. Sie ist

gesund und munter und ahnt nicht, in welch prekärer Lage sie sich

befindet. Denn neben ihr in der Kiste steht ein physikalischer Apparat,

der ihren sicheren Tod bedeutet: Ein radioaktives Präparat wird

irgendwann in der nächsten Stunde den Zerfall eines Atoms erleben,

man weiß nur noch nicht, wann innerhalb dieser nächsten Stunde.

Wenn das Atom zerfällt, wird es über einen Geigerzähler einen

elektrischen Impuls auslösen, der einen Hammer auf eine Phiole mit

Gift fallen läßt. Was nun geschieht, bedeutet für die Katze das Ende:

Der Hammer zertrümmert die Phiole, das Gift tritt aus und verdampft,

die Katze atmet es ein und stirbt sofort. Nichts von alledem ist von

außen zu sehen, zu hören oder zu fühlen. Selbst der aufmerksamste

Beobachter wird also nicht feststellen können, ob der radioaktive

Zerfall im Inneren der Kiste schon stattgefunden hat oder noch zu

erwarten ist. Denn radioaktive Elemente besitzen die Eigenschaft, daß

ihre Atome nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt zerfallen, sondern

nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit innerhalb einer bestimmten

Zeitspanne. Mit anderen Worten heißt das, man kann den Zerfall eines

bestimmten Atoms nicht zeitlich vorhersagen, man kann nur davon

ausgehen, daß er beispielsweise mit großer Sicherheit in der

kommenden Stunde eintritt.

Was bedeutet dies für die Katze in der Kiste? Während der Stunde, in

der der Zerfall eintreten wird, kann kein äußerer

Beobachter sagen, ob sie noch lebt oder schon tot ist, denn niemand

weiß, wann genau das radioaktive Atom zerfällt. In gewisser Weise ist

die Katze also gleichzeitig lebendig und tot oder keines von beiden, sie

befindet sich in einem Mischzustand zwischen Leben und Tod.

Selbstverständlich kann man aber zu jedem Zeitpunkt feststellen, ob

die Katze noch lebt oder schon tot ist, indem man die Kiste öffnet und

hineinschaut.

Zum Glück für die Katze ist dieses Szenario nur ein

Gedankenexperiment, das im Jahr 1935 von dem österreichischen

Physiker Erwin Schrödinger erfunden wurde. Er wollte damit ein

Beispiel geben für die Unsicherheit, mit der im Grunde unsere ganze

Welt behaftet ist. Schrödinger war einer der Väter der sogenannten

Quantenmechanik, einer Wissenschaft, die die Vorgänge im Bereich

des Allerkleinsten mathematisch beschreibt und deutet. Und in dieser

mikroskopischen Welt passieren die skurrilsten Dinge: Da können

Teilchen gleichzeitig an verschiedenen Orten sein, sie können sich

schneller als mit Lichtgeschwindigkeit miteinander verständigen oder

übergangslos von einem Ort zum anderen springen. Mit seinem

Katzenbild hat Erwin Schrödinger es verstanden, einen außerordentlich

komplizierten Gedankengang so populär darzustellen, daß ihn jeder

versteht. Vielleicht ist dies der Grund, warum seine Katze so berühmt

wurde.

Trotz der theoretischen Probleme bietet die Quantenmechanik aber

eine Beschreibung der realen Welt, die mit unserer Alltagserfahrung

gut vereinbar ist. Daß dies so ist, beruht allein auf der Tatsache, daß sie

nur für winzigste Abmessungen gilt; sobald man zu Längenmaßstäben

übergeht, die unserer wahrnehmbaren makroskopischen Welt

entsprechen, treten die Regeln der Quantenphysik nicht mehr in

Erscheinung — zumindest im Normalfall nicht.

Genau dies erschwert das Verständnis dieser komplizierten

Wissenschaft, und Schrödinger erfand deshalb das Gedan-

kenexperiment mit der Katze, um auch für den Laien die Grundidee

der Quantenmechanik verständlich zu machen. Sie sagt nämlich aus,

daß alles und jedes, sei es ein Teilchen, das Licht oder eine Kraft, in

Wirklichkeit ungewiß ist. Kein Teilchen befindet sich zu einer

bestimmten Zeit genau an einem bestimmten Ort, kein Lichtstrahl ist

nur hier und nicht gleichzeitig woanders, selbst das Vakuum, die

absolute Leere, ist erfüllt von einer Vielzahl von Teilchen und Wellen.

Diese seltsame, Ungewisse Welt des Verschwommenen und

Ungenauen verwandelt sich jedoch schlagartig in unsere gewohnte

festgefügte Welt des Erfahrbaren, wenn man darangeht, etwas zu

messen. In dem Augenblick, in dem ein Meßgerät ins Spiel kommt,

verändert sich die Wirklichkeit so, daß man sie exakt beschreiben

kann, wie man das seit dem berühmten Gelehrten Isaac Newton kennt.

Bei der Katze ist das »Meßgerät« der Beobachter, der die Kiste öffnet

und hineinschaut.

Man könnte also sagen, Meßgeräte verändern die Welt. Sie verwandeln

Ungewisses in Gewißheit und Verschwommenes in exakte Daten. So

ungewöhnlich diese Idee klingt, hat sie doch schon viele

philosophische Zirkel beschäftigt, und das Ergebnis ist bis heute offen.

Trotzdem waren die Diskussionen über die Quantenphysik und ihre

Aussagen über die Wirklichkeit nicht fruchtlos. Sie haben eine

Vielzahl von genialen Überlegungen hervorgebracht, und

Experimentalphysiker ruhten nicht, bis sie Anordnungen ersonnen

hatten, die manche der seltsamen Vorhersagen überprüfen sollten. So

begannen Wissenschaftler mit ganz konkreten Experimenten,

Schrödingers Katze zu realisieren, und daraus entstand eines der

spannendsten Kapitel der modernen Physik, das bis heute noch

keineswegs abgeschlossen ist.

Mit seinem Bild von der Katze zwischen Leben und Tod wollte

Schrödinger nicht nur das Grundprinzip der Quantenmechanik

illustrieren, sondern auch seinen Zweifeln Ausdruck verleihen. Denn

es war ihm unbehaglich zumute bei

dem Gedanken, daß die Welt grundsätzlich auf Ungewißheiten

beruhen sollte. Der geniale dänische Theoretiker Niels Bohr, dem wir

das »Bohrsche Atommodell« verdanken, beschäftigte sich in vielen

Diskussionen ebenfalls mit dieser Frage. Er antwortete Schrödinger,

daß Messungen immer mit einem makroskopischen Meßgerät

ausgeführt werden müssen, und daß dieser Apparat, der den Gesetzen

der klassischen Physik gehorchen muß, die Überlagerung der

Quantenzu-stände zerstört, er läßt sie kollabieren. Diese Erklärung des

Übergangs zwischen klassischer und Quantenphysik erhielt den

Namen »Kopenhagener Deutung«.

Im Jahr 1996 jedoch gelang es erstmals einem Forscherteam an der

Pariser Ecole Normale Superieure, ein Experiment durchzuführen, bei

dem das Meßgerät eben kein makroskopisches Objekt ist, sondern

seinerseits ebenfalls den Gesetzen der Quantenphysik gehorcht. In

Anlehnung an Schrödingers Katze nannten die Wissenschaftler es

»Quantenmaus«. Serge Harouche und Jean-Michel Raimond versetzten

ein einzelnes Rubidium-Atom mit Hilfe von Laserimpulsen in eine

Überlagerung von zwei gleichzeitigen, hochangeregten Zuständen.

Dieses Atom schickten sie durch einen Hohlraum, der die

Schwingungen des Atoms gleichsam übernahm, oder anders

ausgedrückt, das Atom erzeugte in diesem Hohlraum eine

Resonanzschwingung. Auch diese bestand aus der Überlagerung der

beiden Zustände, entsprach also quasi Schrödingers halbtoter Katze.

Nun untersuchten die beiden französischen Forscher, wie stabil diese

Überlagerung unter verschiedenen Bedingungen blieb. Zu diesem

Zweck erfanden sie ein raffiniertes Meßgerät: Es besteht aus einem

zweiten Atom, das sie durch den Hohlraum fliegen ließen und das

dessen Schwingung abtastete. Anschließend konnte man seinen

Zustand in einem Detektor überprüfen. Harouche verglich das zweite

Atom mit einer Quantenmaus, die im Vorbeiwandern den Zustand der

Schrödingerschen Katze über-

prüft, ohne die Kiste zu öffnen. Und diese geniale Quantenmaus war

nicht, wie von Bohr postuliert, ein Gegenstand der klassischen Physik,

sondern wegen seiner winzigen Größe selbst ein quantenphysikalisches

Objekt.

Das Ergebnis des Experiments zeigte, daß der Übergang vom

Quantenzustand zur klassischen Physik nicht schlagartig, sondern

allmählich erfolgt. Je größer der Zeitabstand zwischen dem Durchgang

des ersten und des zweiten Atoms durch den Hohlraum war, desto

wahrscheinlicher wurde es, daß die Überlagerung der beiden Zustände

bei der Messung bereits kollabiert war. Das Fazit der Forscher: Beim

Übergang vom Mikro- zum Makrokosmos geht die Quantenphysik

ganz allmählich in die klassische Physik über. Je größer das betrachtete

System ist, desto kurzlebiger sind Überlagerungen zwischen zwei

Zuständen, etwa tot und lebendig. Im erlebbaren, makrophysikalischen

Alltag wird man ihnen also wohl nie begegnen.

Ein ganz entsprechendes Ergebnis erhielten die amerikanischen

Physiker Chris Monroe und David Wineland vom National Institute of

Standards and Technology in Boulder/Colo-rado. Sie erzeugten an

einem Beryllium-Atom ebenfalls durch Laserimpulse eine

Überlagerung von zwei Hyperfeinzustän-den. Diese entstehen durch

die Wechselwirkung der Elektronen in der Atomhülle mit den

elektromagnetischen Feldern des Atomkerns. Die Überlagerung wurde

mit einer Schaukelbewegung des Atoms in einer lonenfalle verbunden.

Monroe verglich die Anordnung mit einem Kind auf einer Schaukel,

das hin und her, gleichzeitig aber auch her und hin schwingt. Eine

Momentaufnahme, wäre sie möglich, würde das Atom zur selben Zeit

an zwei verschiedenen Orten zeigen. Der Abstand zwischen diesen

beiden Orten betrug nach den Berechnungen der amerikanischen

Forscher rund achtzig Nanometer (Millionstel Millimeter). Sie fanden

nun heraus, daß der Über-lagerungszustand um so schneller wieder

verschwindet, je

größer diese Distanz der gekoppelten Teilatome ist. Auch

hieraus lautet die Schlußfolgerung, daß bei den Abmessun-

gen unserer Alltagswelt keine quantenmechanischen Überra-

schungen zu erwarten sind. j

Achtzig Nanometer ist jedoch ein Abstand, der von den

Größenordnungen der elektronischen Schaltkreise, die heute

in den Labors der Computerindustrie entwickelt werden,

nicht mehr allzu weit entfernt ist. So könnte es sein, daß eine

noch weitere Miniaturisierung der Computerchips uns eines

Tages in die Wunderwelt der Quantenphysik führt und doch

noch eine direkte Verbindung herstellt zwischen unserer All-

tagswelt und den Ungewißheiten im Kleinsten, die Schrödin-

ger vorhergesagt hatte.

Der Umsturz im Weltbild der

klassischen Physik

Ist Licht Teilchen oder Welle?

Licht ist für die meisten Menschen eine Selbstverständlichkeit, über die

sie sich nicht viele Gedanken machen. Für die Physiker ist das Licht

jedoch schon seit Jahrhunderten ein Studienobjekt, an dem sich die

Geister scheiden. Und Licht ist auch der Schlüssel zur Quantenphysik.

Eine der zentralen Fragen im Zusammenhang mit Licht war stets, ob es

aus Wellen oder aus Teilchen besteht. Im Lauf der Jahrhunderte gab es

wechselnde Schulen für die eine oder die andere Vermutung, und vielfach

bekämpften sich die Anhänger der beiden Theorien mit erbitterter Härte.

Der Leidener Mathematikprofessor Willebrord Snellius untersuchte

Anfang des 17. Jahrhunderts die Brechung von Lichtstrahlen beim

Übergang von einem Medium zu einem anderen, also zum Beispiel von

Luft in Wasser. Dabei entdeckte er 1621 das Brechungsgesetz, das bis

heute gilt. Es sagt aus, daß sich Licht in unterschiedlichen Medien mit

unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreitet. Bekanntgemacht wurde

dieses Gesetz jedoch erst 1637 von Rene Descartes, der sich bemühte, es

gemeinsam mit anderen optischen Phänomenen durch die Annahme zu

erklären, daß das Licht aus kleinen Partikeln bestehe, die sich in schneller

geradliniger Bewegung befinden. So stellte er sich auch vor, daß die

Reflexion von Lichtstrahlen nichts anderes sei als das Abprallen der

Lichtteilchen an elastischen Oberflächen. Für die Wellentheo-rie des

Lichts hingegen entschied sich etwa zur gleichen Zeit

Schroedinger Katze - Einfuehrung in die Quantenphysik.pdf

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