Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

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

Was ist wesentlich an der QP? 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)

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

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

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

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

Versuche mit Quantenobjekten Wir lassen sie durch mehrere Spalte gehen.

Ein Beispiel: Das Fulleren-Experiment von Zeilinger et al. [1999] C60-Molekül

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 kann nicht vorhergesagt werden. (Mögliche Gründe dafür: später)

Ist der Name „Wesenszug“ berechtigt. Ja 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 Transmission: cos2() Absorption: sin2() φ

Inhalt 0. Was ist wesentlich? 1. Stochastisches Verhalten 2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung 4. Komplementarität 5. 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:

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

Ist der Name „Wesenszug“ berechtigt. Ja 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-Interferometer Dürr, Nonn, Rempe (1998)

Beugung an Kristallen

Streuversuche Zahl der Detektionen (geglättet) θ 12C

Streuversuche

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

Doppelspalt-Experiment: Ortsmessung an den Spalten

Gedankenexperiment von Scully et al. (1991): H1 Atomofen H2 Anregungslaser

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

Wesenszug: Verhalten bei einer Messung Messergebnisse sind stets eindeutig.

Interferometer mit einzelnen Photonen

Photonen-“Spaltung“ Nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ Nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer nichtlinearer Kristall D2 D1

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer nichtlinearer Kristall D2 D1

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer nichtlinearer Kristall D2 D1

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

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

Interferometer mit einzelnen Photonen

Photonen-“Spaltung“ Nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ Nichtlinearer Kristall

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

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

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

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

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

C-C-Streuung θ 12C 13C

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

Nichtlokalität D2 K D1

Nichtlokalität D2 K D1

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

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

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

Wesenszug: Stochastisches Verhalten Der Auftreffpunkt kann nicht vorhergesagt werden.

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

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

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

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