Wesenszüge der Quantenphysik

Präsentation zum Thema: "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 Die physikalische Erkenntnisweise
Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten Erklären und Vorher sagen Syste- matisch unter- suchen Beobachtungen und Messergebnisse

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

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

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]
C60-Molekül

14 Das Fulleren-Experiment
C60-Molekül

15 Das Fulleren-Experiment

16 Das Fulleren-Experiment
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
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 100 48 52

26 Weitere Beispiele: Radioaktiver Zerfall
Transmission und Reflexion von Lichtquanten am Strahlteiler Lichtquanten am Polarisationsfilter Transmission: cos2() Absorption: sin2() φ

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

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

35 Interferometer mit einzelnen Photonen

36 Interferometer mit einzelnen Photonen

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 12C

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):
H1 Atomofen H2 Anregungslaser

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

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

48 Interferometer mit einzelnen Photonen

49 Photonen-“Spaltung“ Nichtlinearer Kristall

50 Photonen-“Spaltung“ Nichtlinearer Kristall

51 Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
nichtlinearer Kristall D2 D1

52 Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
nichtlinearer Kristall D2 D1

53 Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
nichtlinearer Kristall D2 D1

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

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 Photonen-“Spaltung“ Nichtlinearer Kristall

58 Photonen-“Spaltung“ Nichtlinearer Kristall

59 Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
mögliche Messung: nichtlinearer Kristall D2 D1

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

61 Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler D2 K D1

62 Wesenszug: „Komplementarität“ Wenn das Experiment weitere
Messmöglichkeiten enthält, kann das Interferenzmuster verschwinden. nichtlinearer Kristall D1 D2

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

64 C-C-Streuung θ 12C 13C

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 Nichtlokalität D2 K D1

67 Nichtlokalität D2 K D1

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

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

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

73 Wesenszug: Verhalten bei einer Messung
Messergebnisse sind stets eindeutig D2 D1

74 Wesenszug: „Komplementarität“ Wenn das Experiment weitere
Messmöglichkeiten enthält, kann das Interferenzmuster verschwinden. nichtlinearer Kristall D1 D2

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