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Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik.

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Präsentation zum Thema: "Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik."—  Präsentation transkript:

1 Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

2 Inhalt 0. Was ist wesentlich? 1. Stochastisches Verhalten 2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung 4. Komplementarität 5. Nichtlokalität Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

3 Was ist wesentlich an der QP? Schrödingergleichung? Hilbertraum? Was unterscheidet die Quantenphysik von der klassischen Physik? Gibt es Überraschendes, Ungewohntes, Merkwürdiges?

4 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

5 Das Wesentliche an der QP? Wir nennen die Aliens Quantenobjekte. Dazu gehören Elektronen, Photonen, Atome, Moleküle, magnetische Kristalle, supergekühlte Ringe, wir?

6 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?

7 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)

8 Beobachtungen und Messergebnisse Erklären und Vorher sagen Syste- matisch unter- suchen Die physikalische Erkenntnisweise Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten

9 Messergebnisse Erklären und Vorher sagen Syste- matisch unter- suchen Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten Die physikalische Erkenntnisweise

10 Messergebnisse Syste- matisch unter- suchen Wir konzentrieren uns zunächst auf die Phänomene:

11 Inhalt 0. Was ist wesentlich? 1. Stochastisches Verhalten 2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung 4. Komplementarität 5. Nichtlokalität Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

12 Versuche mit Quantenobjekten Wir lassen sie durch mehrere Spalte gehen.

13 Ein Beispiel: Das Fulleren-Experiment von Zeilinger et al. [1999]

14 Das Fulleren-Experiment C 60 - Mole kül

15 Das Fulleren-Experiment

16 Fotos von Zeilinger et al. über W.Hirlinger

17 Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

18 Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

19 Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

20 Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

21 Wesenszug: Stochastisches Verhalten Der Auftreffpunkt kann nicht vorhergesagt werden. (Mögliche Gründe dafür: später)

22 Ist der Name Wesenszug berechtigt? Ja! Stochastisches Verhalten beobachtet man in vielerlei Experimenten.

23 Das Fulleren-Experiment Fotos von Zeilinger et al. über W.Hirlinger

24 Weitere Beispiele: Radioaktiver Zerfall

25 Weitere Beispiele: Radioaktiver Zerfall Transmission und Reflexion von Lichtquanten am Strahlteiler

26 Weitere Beispiele: Radioaktiver Zerfall Transmission und Reflexion von Lichtquanten am Strahlteiler Lichtquanten am Polarisationsfilter φ Transmission: cos 2 ( ) Absorption: sin 2 ( )

27 Inhalt 0. Was ist wesentlich? 1. Stochastisches Verhalten 2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung 4. Komplementarität 5. Nichtlokalität Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

28 Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

29 Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

30 Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

31 Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

32 Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

33 Statt vielen Spalten nur zwei Spalte: Wesenszug: Interferenz- fähigkeit

34 Ist der Name Wesenszug berechtigt? Ja! Interferenzmuster beobachtet man in vielerlei Experimenten.

35 Interferometer mit einzelnen Photonen

36

37 Streuung von Elektronen an Löchern Mit Gold zugewachsenes Mikrosieb

38 Beugung von Atomen Pfau et al., Univ. Konstanz (1994)

39 Atom-Interferometer Dürr, Nonn, Rempe (1998)

40 Beugung an Kristallen

41 Streuversuche Zahl der Detektionen (geglättet) θ 12 C

42 Streuversuche

43 Inhalt 0. Was ist wesentlich? 1. Stochastisches Verhalten 2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung 4. Komplementarität 5. Nichtlokalität Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

44 Doppelspalt-Experiment: Ortsmessung an den Spalten

45 Gedankenexperiment von Scully et al. (1991): Anregungslaser Atomofen H1H1 H2H2

46 Ergebnis: Nie stellt man fest, dass beide Detektoren anschlagen oder dass keiner der Detektoren anschlägt.

47 Messergebnisse sind stets eindeutig. Wesenszug: Verhalten bei einer Messung

48 Interferometer mit einzelnen Photonen

49 Nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung

50 Nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung

51 nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung im Interferometer D1D1 D2D2

52 nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung im Interferometer D1D1 D2D2

53 nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung im Interferometer D1D1 D2D2

54 Ortsmessung bei Atomen Ortsmessung bei Photonen Energiemessung an Atomen (zwei mögliche Messergebnisse) Weitere Beispiele: Polarisationsmessung E

55 Inhalt 0. Was ist wesentlich? 1. Stochastisches Verhalten 2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung 4. Komplementarität 5. Nichtlokalität Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

56 Interferometer mit einzelnen Photonen

57 Nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung

58 Nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung

59 nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung im Interferometer D1D1 D2D2 mögliche Messung:

60 nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung im Interferometer Mandel et al.

61 Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler D1D1 D2D2 Photonen-Spaltung im Interferometer K

62 Wesenszug: Komplementarität Wenn das Experiment weitere Messmöglichkeiten enthält, kann das Interferenzmuster verschwinden. nichtlin earer Kristall D1D1 D2D2

63 Beugung von Atomen Pfau et al., Univ. Konstanz (1994)

64 θ 12 C 13 C C-C-Streuung

65 Inhalt 0. Was ist wesentlich? 1. Stochastisches Verhalten 2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung 4. Komplementarität 5. Nichtlokalität Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

66 D1D1 D2D2 Nichtlokalität K

67 D1D1 D2D2 K

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

69 Nichtlokalität bei verschränkten Photonen: a b Versuchsergebnis: Wenn a durchgeht, geht auch b durch. Wenn a absorbiert wird, wird auch b absorbiert. a b

70 Inhalt 0. Was ist wesentlich? 1. Stochastisches Verhalten 2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung 4. Komplementarität 5. Nichtlokalität Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

71 Wesenszug: Stochastisches Verhalten Der Auftreffpunkt kann nicht vorhergesagt werden.

72 Statt vielen Spalten nur zwei Spalte: Wesenszug: Interferenz- fähigkeit

73 Messergebnisse sind stets eindeutig Wesenszug: Verhalten bei einer Messung D1D1 D2D2

74 Wesenszug: Komplementarität Wenn das Experiment weitere Messmöglichkeiten enthält, kann das Interferenzmuster verschwinden. nichtlin earer Kristall D1D1 D2D2

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


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