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


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


Wir nennen die Aliens „Quantenobjekte“.Dazu gehören

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


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


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


Wir konzentrieren uns zunächst auf die Phänomene:

Inhalt

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


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



Fotos von Zeilinger et al. über W.Hirlinger

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.


Fotos von Zeilinger et al. über W.Hirlinger

Weitere Beispiele:

• Radioaktiver Zerfall

Weitere Beispiele:


• Transmission und Reflexion von Lichtquanten am Strahlteiler

100 48

52

Weitere Beispiele:


• Transmission und Reflexion von Lichtquanten am Strahlteiler

• Lichtquanten am Polarisationsfilter

φTransmission:

cos2()

Absorption: sin2()

Inhalt









Wesenszug:

Interferenz-fähigkeit

Ist der Name „Wesenszug“ berechtigt?

Ja!

Interferenzmuster beobachtet man in vielerlei Experimenten.

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



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


Nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“



nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

D1

D2



D1

D2



D1

D2

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

Weitere Beispiele:

• Polarisationsmessung

E

Inhalt










D1

D2

mögliche Messung:



Mandel et al.

Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler

D1

D2


K

Wesenszug:„Komplementarität“

Wenn das Experiment weitere

Messmöglichkeiten enthält,

kann das Interferenzmuster

verschwinden.


D

1

D

2

Beugung von Atomen

Pfau et al., Univ. Konstanz (1994)

θ

12C 13C

C-C-Streuung

Inhalt



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



Wesenszug: Stochastisches Verhalten

Der Auftreffpunkt kannnicht vorhergesagt werden.


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.


D

1

D

2

Nichtlokalität:

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

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Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente