Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente

Wesenszüge der Quantenphysikanhand

moderner Experimente

Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

Inhalt

0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität

Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

Was ist wesentlich an der QP?

ˆ t

i H

ˆ

z x y

x y z

B B iBH

B iB B

ˆˆ ˆ( )2

2 p

H V xm

( , , ) nlmx r1 1 2 2 c a c a

/1 0

i Btc t c e

( ) ( )21 1P t c t( , , ) ( , , ) nlm nlmr r r r

0

2 2

22

nlmZ e

En a

Schrödingergleichung?Hilbertraum?

Was unterscheidet die Quantenphysik von der klassischen Physik?

Gibt es Überraschendes, Ungewohntes, Merkwürdiges?

Das Wesentliche an der QP?

Man kann die „Aliens“ nicht sehen.Wir bekommen nur indirekt Informationen über sie.

Und zwar über Messungen,z.B. des Orts Klick!

Detektor

Das Wesentliche an der QP?

Wir nennen die Aliens „Quantenobjekte“.Dazu gehören

• Elektronen, • Photonen, • Atome, • Moleküle,• magnetische Kristalle,• supergekühlte Ringe,• wir?

Das Wesentliche an der QP?

Wir wissen nicht, was Aliens „wirklich“ sind:Fische? Löwen? Saurier?

Wir wissen nicht, was Elektronen wirklich sind:Teilchen? Wolken? Wellen?

Die Aufgabe der Physik

Es ist aber auch nicht die Aufgabe der Physik,zu klären, was etwas „wirklich“ ist.

Was ist Licht wirklich?

Es bewährt sich, Licht so zu behandeln,als bestünde es aus• Lichtstrahlen (Reflexion, Brechung)• Wellen (Interferenz)• Teilchen (Fotoeffekt)

Beobachtungen und Messergebnisse

Erklären und

Vorhersagen

Syste-matisch unter-suchen

Die physikalische Erkenntnisweise

Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten

1 22

*gravm m

F Gr

Messergebnisse

Erklären und

Vorhersagen

Syste-matisch unter-suchen

Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten

Die physikalische Erkenntnisweiseˆ

t

i H

ˆ

z x y

x y z

B B iBH

B iB B

ˆˆ ˆ( )2

2 p

H V xm

( , , ) nlmx r1 1 2 2 c a c a

/1 0

i Btc t c e

( ) ( )21 1P t c t( , , ) ( , , ) nlm nlmr r r r

0

2 2

22

nlmZ e

En a

Messergebnisse

Syste-matisch unter-suchen

Wir konzentrieren uns zunächst auf die Phänomene:

Inhalt

0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität

Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

Versuche mit Quantenobjekten

Wir lassen sie durch mehrere Spalte gehen.

C60-Molekül

Ein Beispiel: Das Fulleren-Experiment

von Zeilinger et al. [1999]

Das Fulleren-Experiment

C60-Molekül

Das Fulleren-Experiment

Das Fulleren-Experiment

Fotos von Zeilinger et al. über W.Hirlinger

Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

Wesenszug: Stochastisches Verhalten

Der Auftreffpunkt kannnicht vorhergesagt werden.

(Mögliche Gründe dafür: später)

Ist der Name „Wesenszug“ berechtigt?

Ja!

Stochastisches Verhalten beobachtet man in vielerlei Experimenten.

Das Fulleren-Experiment

Fotos von Zeilinger et al. über W.Hirlinger

Weitere Beispiele:

• Radioaktiver Zerfall

Weitere Beispiele:

• Radioaktiver Zerfall

• Transmission und Reflexion von Lichtquanten am Strahlteiler

100 48

52

Weitere Beispiele:

• Radioaktiver Zerfall

• Transmission und Reflexion von Lichtquanten am Strahlteiler

• Lichtquanten am Polarisationsfilter

φTransmission:

cos2()

Absorption: sin2()

Inhalt

0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität

Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

Wesenszug:

Interferenz-fähigkeit

Ist der Name „Wesenszug“ berechtigt?

Ja!

Interferenzmuster beobachtet man in vielerlei Experimenten.

Interferometer mit einzelnen Photonen

Interferometer mit einzelnen Photonen

Streuung von Elektronen an Löchern

Mit Gold zugewachsenes Mikrosieb

Beugung von Atomen

Pfau et al., Univ. Konstanz (1994)

Atom-InterferometerDürr, Nonn, Rempe (1998)

Beugung an Kristallen

Streuversuche

Zahl der Detektionen (geglättet)

θ12C 12C

Streuversuche

Inhalt

0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität

Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

Doppelspalt-Experiment:

Ortsmessung an den Spalten

Gedankenexperiment von Scully et al. (1991):

Anregungslaser

Atomofen

H1

H2

Ergebnis:

Nie stellt man fest, dass

• beide Detektoren anschlagen oder

dass

• keiner der Detektoren anschlägt.

Messergebnisse sind stets

eindeutig.

Wesenszug: Verhalten bei einer Messung

Interferometer mit einzelnen Photonen

Nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“

Nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“

nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

D1

D2

nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

D1

D2

nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

D1

D2

• Ortsmessung bei Atomen• Ortsmessung bei Photonen• Energiemessung an Atomen (zwei mögliche Messergebnisse)

Weitere Beispiele:

• Polarisationsmessung

E

Inhalt

0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität

Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

Interferometer mit einzelnen Photonen

Nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“

Nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“

nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

D1

D2

mögliche Messung:

nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

Mandel et al.

Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler

D1

D2

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

K

Wesenszug:„Komplementarität“

Wenn das Experiment weitere

Messmöglichkeiten enthält,

kann das Interferenzmuster

verschwinden.

nichtlinearer Kristall

D

1

D

2

Beugung von Atomen

Pfau et al., Univ. Konstanz (1994)

θ

12C 13C

C-C-Streuung

Inhalt

0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität

Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

D1

D2

Nichtlokalität

K

D1

D2

Nichtlokalität

K

Nichtlokalität:

Eine Ursache an einem Ort wirkt sich instantan auch an weit entfernten Orten aus.

Nichtlokalität bei verschränkten Photonen:

a b

Versuchsergebnis: Wenn a durchgeht, geht auch b durch.Wenn a absorbiert wird, wird auch b absorbiert.

a b

Inhalt

0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität

Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

Wesenszug: Stochastisches Verhalten

Der Auftreffpunkt kannnicht vorhergesagt werden.

Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

Wesenszug:

Interferenz-fähigkeit

Messergebnisse sind stets eindeutig

Wesenszug: Verhalten bei einer Messung

D

1

D

2

Wesenszug:„Komplementarität“

Wenn das Experiment weitere

Messmöglichkeiten enthält,

kann das Interferenzmuster

verschwinden.

nichtlinearer Kristall

D

1

D

2

Nichtlokalität:

Eine Ursache an einem Ort wirkt sich instantan auch an weit entfernten Orten aus.