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Von: Dennis L.
Quantenmechnaik

Atome zeitgleich an verschiedenen Orten detektiert

Kann ein Elfmeter beim Fußball gleichzeitig treffen und daneben gehen? Je nach Schiedsrichter ist das durchaus machbar und führt zu endlosen Diskussionen zwischen rivalisierenden Fans. Inzwischen ist allerdings klar, dass dies für sehr kleine Objekte durchaus möglich ist – und das ganz ohne Schiedsrichter. Zumindest wenn es nach den Vorhersagen der Quantenmechanik geht.

Bildliche Darstellung der Atome an verschiedenen Orten.
© Didi01 / pixelio.de

Bonn (Deutschland). Laut diesen können Objekte von mikroskopischer Größe tatsächlich zwei völlig unterschiedliche Wege im selben Augenblick einschlagen. Denn im Gegensatz zu unserer makroskopischen Welt wird in der Welt der kleinsten Teilchen nach anderen Regeln gespielt. Bei uns kann der Ball eben nur in eine Richtung fliegen. Aber stimmt das denn auch wirklich – jetzt einmal ganz objektiv und ohne Schiedsrichter? Physiker an der Universität Bonn haben genau dazu ein Experiment entwickelt um diese Grundlage unserer Weltsicht zu falsifizieren. In ihrem ersten Experiment haben sie bereits belegt, dass Caesium Atome tatsächlich zwei unterschiedliche Wege zeitgleich einschlagen können.

Bereits vor 100 Jahren haben die Physiker Werner Heisenberg, Max Born und Erwin Schrödinger ein völliges neues Anwendungsfeld der Physik erdacht: die Quantenmechanik. In der Welt der Quantenmechanik – gemäß der Quantentheorie – bewegen sie Objekte nie entlang eines definierten Weges. Stattdessen können sie zeitgleich in unterschiedliche Richtungen wechseln und am Ende an unterschiedlichen Orten zur selben Zeit bestehen. Dieses Phänomen wird von Physikern auch als Überlagerung unterschiedlicher Pfade bezeichnet (Quantum Superposition of different Paths).

Auf atomarer Ebene spricht alles dafür, dass Teilchen sich tatsächlich Heisenbergs, Bors und Schrödingers Regeln beugen. Seit den Theorien der drei Herren haben unzählige Experimente genau dies belegt. In unserer Wahrnehmung aber sehen wir den Fußball aus dem obigen Beispiel immer nur einen Weg entlang fliegen. Niemals trifft er zeitgleich und schießt über sein Ziel hinaus. Aber warum ist das dann so?

„Es gibt dafür zwei unterschiedliche Erklärungsansätze", erläutert Andrea Alberti von der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität. „Die Standardquantenmechanik erlaubt Überlagerungszustände prinzipiell auch für beliebig große Gegenstände, also auch für Fußbälle. Diese Zustände sind jedoch sehr instabil und jeder Versuch, den Ort eines Quantenobjekts zu bestimmen, zerstört die Überlagerung,“ so der Physiker weiter. „Allein dadurch, dass wir den Ball mit den Augen verfolgen, „entscheidet“ er sich demnach für eine Flugbahn.“

Andere Regeln für „Übergrößen“?

Aber es könnte doch auch sein, dass für Fußbälle einfach andere Regeln gelten als für Teilchen wie einzelne Atome? Aus makro-realistischer Sicht ist das auch korrekt, denn gemäß dieser bewegt sich der Fußball immer genau so wie er soll und auf einem spezifischen Weg, völlig unabhängig von der unsrigen Beobachtung und völlig gegensätzlich zu dem für Atome geltenden Gesetzen. Welche dieser Theorien nun richtig ist versucht Andrea Alberti in Zusammenarbeit mit Dr. Clive Emary von der Universität Hulk mittels einem experimentellen Plan zu klären. „Die wirkliche Schwierigkeit war es einen Plan zur Messung der atomaren Positionen zu erstellen, der es uns erlaubt die makro-realistische Theorie als falsch zu entlarven“, führt Alberti weiter in ihren Untersuchungen an.

Im „Physical Review X“ sind die Nachforschungen des Team komplett ausgeführt: Mit zwei optischen Pinzetten wurde ein Caesium Atom erfasst und in zwei entgegengesetzte Richtungen gezogen. In unserer Größenordnung wäre trotzdem das Atom am Ende an nur einem Ort. Aus quantenmechanischer Sicht würde das Atom zwei sicher überlagernde Positionen einnehmen.

„Danach haben wir indirekte Messverfahren angewandt um auf die vorsichtigste Art und Weise die finale Position des Atoms zu ermitteln“, erklärt Carsten Robens. Selbst mittels indirekten Messverfahren kommt es zu möglichen signifikanten Modifizierungen der Ergebnisse. Denn die Beobachtung schließt aus, dass das Caesium Atom sich verhält, wie es auch unserer Sicht der Fußball tun würde. Stattdessen passt nun die experimentelle Entdeckung perfekt auf die Überlagerung und wird durch die indirekte Messung zerstört. Wir sind also gezwungen hinzunehmen, dass das Atom tatsächlich zwei unterschiedliche Wege im selben Augenblick eingeschlagen hat.

„Das ist natürlich noch kein Beweis, dass das auch für größere Objekte gilt", betont Alberti. „Wir versuchen nun aber, das Caesium-Atom über mehrere Millimeter auseinanderzuziehen. Sollten unter diesen Bedingungen immer noch Überlagerungszustände existieren, wäre das für die makrorealistische Theorie ein großer Rückschlag.“

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