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
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0
2 2
22
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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
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( ) ( )21 1P t c t( , , ) ( , , ) nlm nlmr r r r
0
2 2
22
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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.