Spektrum der Wissenschaft KOMPAKT 05/2015 (Hrsg.) - Quantenphysik

Einblick in die rätselhafte Quantenwelt

Wie angekündigt, möchte ich noch weitere Titel zum Thema „Quantenphysik“ lesen und besprechen. Den Anfang macht das Kompakt-Themenheft „Quantenphysik. Spukhafte Welt zwischen Welle und Teilchen“ von Spektrum der Wissenschaft (05/2015). Das Heft ist schon fast zehn Jahre alt, aber es enthielt einige für mich interessante Themen, z.B. zum Quantencomputer, zur Verschränkung, zur Quantengravitation, zur Viele-Welten-Theorie und zu Zeitreisen. Auch Einsteins Idee der spukhaften Fernwirkung wird thematisiert. Vieles davon mutet an wie Science-Fiction. Faszinierend! Und was ich ebenfalls interessant finde: Die Quantenwelt mit ihren eigenen Regeln bleibt bis heute rätselhaft und in vielen Aspekten unverstanden. Gerade das macht es überaus spannend! Und was ich weiterhin an dem Themenheft schätze, ist der Umstand, dass es weitestgehend verständlich ist. So kann man auch als Laie in diesen wissenschaftlichen Teilbereich vordringen und einiges für sich an Erkenntnissen mitnehmen. Was ich jedoch nicht leisten kann, ist, die dargestellten Inhalte kritisch zu prüfen. Dafür fehlt es mir an Fachkenntnissen. Ich kann lediglich festhalten, wo mir etwas unklar geblieben ist oder wo Fragen aufgetaucht sind.

 

Beitrag 1 – Quantenphysik. Und noch ein Schlupfloch erfolgreich geschlossen. Von Dirk Eidemüller

Hier wird verdeutlicht, dass die Quantenwelt spezifische Eigenschaften aufweist, die tatsächlich nur dort möglich sind. So kann ein Teilchen z.B. nicht nur an einem Ort sein, sondern gleichzeitig auch noch an anderen Orten, zumindest bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Ort genauer bestimmt wird. Am Beispiel des Photons wird verdeutlicht, dass diese eine Wellen- und zugleich eine Teilcheneigenschaft aufweisen. Photonen breiten sich wie Wellen aus, will man sie jedoch lokalisieren, erscheinen sie uns als punktförmige Teilchen und nicht länger als Welle. Interessant ist, dass der Übergang von Welle zu Teilchen mit unendlicher Geschwindigkeit stattfindet. Und das, obwohl nach der Relativitätstheorie nichts schneller als das Licht ist. Ein zentrales Forschungsanliegen sei es bis heute, den Kollaps der Wellenfunktion genauer zu untersuchen. Des Weiteren stellt der Autor ein Experiment vor, bei dem die Welleneigenschaften von Photonen gemessen werden. Es zeigt sich, dass die Messung an einem Ort zugleich auch das Teilchen an einem anderen Ort beeinflusst. Sie sind miteinander verschränkt. 

 

Beitrag 2 – Quantenmechanik. Quantenphysik erlaubt die Zeitreise. Von Lee Billings

Diskutiert wird hier das beliebte Großvater-Paradoxon, also das Gedankenspiel, dass eine Person in die Vergangenheit reist, um den eigenen Großvater zu töten, und damit die eigene spätere Geburt verhindert. Stephen Hawking hielt Reisen in die Vergangenheit für unmöglich. Aus mathematischer Sicht seien Zeitreisen jedoch machbar. So kann man auf der Basis von Einsteins Relativitätstheorie eine so starke Krümmung der Raumzeit annehmen, dass geschlossene zeitartige Kurven entstehen. Würde man eine solche geschlossene Schleife durchlaufen, könnte man in die Vergangenheit reisen. Im Beitrag wird des Weiteren die Möglichkeit erörtert, ob es möglich sei, Quantenteilchen durch eine solche Schleife zu schicken. Dies hätte allerdings weitere Fragen zur Folge: Handelt es sich bei dem verschickten und ankommenden Photon um das identische Teilchen? Und kommt das durch die Zeit geschickte Photon im selben Universum wieder heraus, das es in der Zukunft verlassen hat? Spannend! Letztlich bleiben alle diesbezüglichen Annahmen natürlich spekulativ.

 

Beitrag 3 – Informationstechnologie. Mission Quantencomputer. Von Elizabeth Gibney

Die Idee für die Entwicklung eines Quantencomputers sei schon in den 80er Jahren aufgekommen. In der Praxis hätten sich die bestehenden Quanteneffekte jedoch als extrem schwer kontrollierbar herausgestellt. Schon eine minimale Vibration könne den Rechenvorgang in einem Quantensystem stören. Doch die Autorin erläutert auf verständliche Art und Weise, dass man in der Forschung die Hoffnung nicht aufgibt, die Prozesse irgendwann besser kontrollieren zu können. Es habe inzwischen einige Fortschritte gegeben und auch große Firmen wie Google, IBM und Microsoft forschten an einem solchen Projekt, doch aktuell scheint die erfolgreiche Umsetzung der Technologie noch viele Jahre in der Zukunft zu liegen. Die Vorlesung des verstorbenen Physikers Richard Feynmann bilden die konzeptionellen Grundlagen für die Entwicklung eines Quantencomputers. Der Vorteil eines solchen Computers besteht darin, dass er viel mehr parallele Rechenvorgänge durchführen könnte. Er macht sich die Eigenschaften der Quantenwelt zunutze und ist nicht nur auf eine binäre Arithmetik festgelegt. Die Autorin dieses Beitrags zeigt letztlich auf, welche Erfolge in diesem Forschungsbereich bereits verzeichnet werden konnten und welche Hürden in der Zukunft noch zu nehmen sind.

 

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Beitrag 5 – Bildgebung. Fotografieren mit verlorenem Licht. Von Dirk Eidemüller

In diesem Beitrag wird aufgezeigt, wie für ein Bildgebungsverfahren die quantenphysikalische Verknüpfung von Photonen genutzt wird. Dafür werden zwei Teilstrahlen auf ein Objekt gelenkt, ein roter Strahl läuft um das Objekt herum und ein Infrarotstrahl durchdringt das Objekt. Später werden beide Strahlen wieder miteinander kombiniert. Dabei stellte man fest, dass nicht nur die infraroten Photonen allein das Bild mit sich tragen, sondern auch die damit verschränkten roten Photonen. Trennt man im Anschluss an die Zusammenführung die beiden Lichtstrahlen wieder voneinander, so kann mit den roten Photonen, obwohl sie das Objekt niemals berührt haben, trotzdem ein Bild mit ihnen projiziert werden. Erstaunlich! Anders ausgedrückt: Ohne direkten Kontakt zum Objekt, ist es dennoch gelungen, mit Hilfe verschränkter Photonen, ein Bild zu erzeugen. Die Forscher halten es für möglich, ihre Erkenntnisse für den medizinischen Bildgebungsbereich fruchtbar zu machen.

 

Beitrag 6 – Casimir-Effekt der Gravitation. Experiment soll Quantennatur der Gravitation offenbaren. Von Jan Dönges

Bislang erscheint die Gravitation mit der Quantenphysik nicht vereinbar, wie der Autor erklärt. Die Annahme, dass auch die Gravitation aus Quanten besteht, ist bislang nicht experimentell bestätigt worden können. Ein Forscher der Universität Tokio glaubt jedoch mit einem Experiment einen Nachweis dafür liefern zu können, dass auch Gravitation „gequantelt“ ist. Dafür will man sich den sogenannten Casimir-Effekt zunutze machen. Leider wird im Beitrag nicht genauer dargelegt, ob das Experiment bereits durchgeführt wurde oder wann es stattfinden soll. Auch bleibt mir unklar, was das zu erwartende Ergebnis ist bzw. was dabei herausgekommen ist.

 

Beitrag 7 – Verschränkung. Kosmischer Test für die Quantenphysik. Von Rainer Kayser

Zu Beginn des Beitrags stellt der Autor einige zentrale Fragen in den Vordergrund, auf die es bislang keine befriedigenden Antworten gibt: Existieren bislang verborgene Regeln und Größen hinter der Quantentheorie, die wir aktuell noch nicht kennen? Und was bedeutet die Quantenmechanik für unsere physikalische Realität? Wie ist diese zu interpretieren?

Ein Phänomen, das Kayser näher in den Blick nimmt, ist die Verschränkung von Teilchen. Diese können, auch wenn sie (sehr weit) voneinander entfernt sind, miteinander verknüpft sein. Zur Veranschaulichung wählt Kayser eine treffende Analogie. Steckt man eine schwarze und eine weiße Kugel in zwei verschiedene Beutel und überreicht jeweils einen Beutel zwei Beobachtern, die ihrerseits nicht wissen, welche Kugel jeweils im Beutel ist. Und stellt man die Beobachter an zwei entfernte Orte, so wissen sie erst dann, was in ihrem Beutel ist, wenn sie ihn öffnen (also eine Messung durchführen). Dabei sind die Ergebnisse der Messung nicht unabhängig voneinander. Wenn der eine Beobachter die weiße Kugel hat, so hat der andere Beobachter die schwarze Kugel. Noch etwas: In Bezug auf die beiden Beobachter ist die Aussage, dass die eine Messung die andere beeinflusst, nicht zulässig. Dies wiederum ist bei Elementarteilchen anders. Und dieses Phänomen wurde von Einstein bereits als „spukhafte“ Fernwirkung bezeichnet.

Einstein vermutete hinter dem Phänomen der Quantenverschränkung verborgene Mechanismen, die den Beobachten einfach noch unbekannt sind. Doch bislang hat sich diese Annahme von Einstein nicht bestätigen lassen. Irrte er womöglich? Oder hat man diese Mechanismen bis heute nur noch nicht aufgedeckt? Der Autor stellt in seinem Beitrag noch einige Experimente vor, die mehr Licht ins Dunkel bringen sollen. Ob daraus neue Erkenntnisse resultieren, bleibt jedoch abzuwarten.

 

Beitrag 8 – Interview. Ich will die Natur verstehen. Von Robert Gast

Gast führt ein Interview mit dem Physiker Jörg Schmiedmayer von der Technischen Universität Wien. Der Interviewte erläutert u.a., dass er ein abgeschlossenes Quantensystem untersuchen will, das sich im Gleichgewicht befindet, das seinen Zustand also nicht mehr ändert. Ziel seiner Forschung ist es, eine Beschreibung für Nicht-Gleichgewichts-Systeme herauszuarbeiten und Annahmen darüber aufzustellen, wie sich Strukturen in solchen Systemen entwickeln.

 

Beitrag 9 – Theoretische Physik. Viele Alltagswelten für eine Quantenwelt. Von Alexandra Witze

In diesem Beitrag wird eine irrwitzige Theorie vorgestellt. Drei Physiker meinen, die Eigenschaften der Quantenwelt darauf zurückführen zu können, dass mehrere parallele Alltagswelten miteinander wechselwirken. Sie bezeichnen ihren Ansatz die „Viele-Welten-Interpretation“. Ihrer Meinung nach lassen sich viele Quantenphänomene, wie z.B. der Tunneleffekt, durch gegenseitig beeinflussende Welten erklären. Klingt abgedreht, ist es in meinen Augen auch. Was die Forscher bisher jedoch nicht mit ihrem Ansatz erklären können, ist das Phänomen der Verschränkung.

 

Beitrag 10 – Essay. Machen Quanten Sprünge? Von David Tong

In seinem Essay beleuchtet der Autor die Diskussion darum, ob unsere Realität analog oder digital ist. Nach seiner Auffassung herrsche in der Physik seit jeher eine Debatte zwischen analogen und digitalten Ansätzen. Die Quantenmechanik habe dieser Debatte eine neue Wendung gegeben. Für mich ist der Beitrag zu sperrig, es wird zu viel Vorwissen vorausgesetzt. Schade!

 

Beitrag 11 – Nobelpreise 2012. Kontrolle über Schrödingers Katze. Von Thomas Bührke

Hier werden die Preisträger David J. Wineland und Serge Haroche genauer vorgestellt. Beide Forscher haben Techniken entwickelt, wie man die Übergänge von Mikro- zu Makrowelt genauer untersuchen kann. Sie führten viele neuartige und schwierige Experimente durch. Wineland hat sich z.B. mit der Frage beschäftigt, wie man einzelne Atome einfangen und v.a. kontrollieren kann. Er fing sog. Ionen ein, hat diese wiederum mit Lasern gezielt beeinflusst sowie ihre Eigenschaften vermessen. Haroche wiederum gelang es, Informationen über Lichtteilchen zu erhalten, ohne sie dabei zu zerstören. Dafür verwendete er im Rahmen seines Experiments Spiegel mit einer hohen Reflexivität. Letztlich haben beide Forscher viele Vorhersagen der Quantenphysik experimentell bestätigt und technologischen Fortschritt bewirkt. So gelang es Wineland z.B. eine sog. Optische Uhr zu konstruieren, die 100-mal genauer arbeitet als eine Atomuhr. Auch für die Entwicklung von Quantencomputern haben sie wichtige Pionierarbeit geleistet.

Beitrag 12 – Wissenschaftsgeschichte. Einsteins unbemerkte Revolution. Von Rainer Kayser

Der Autor widmet sich in seinem wissenschaftsgeschichtlich ausgerichteten Beitrag Einstein und beleuchtet, welche Schwierigkeiten dieser mit dem Forschungsbereich der Quantenphysik hatte. Er habe viele ihrer Ideen und Deutungen abgelehnt. Statt Zufälle anzunehmen, vermutete Einstein die Existenz verborgener Variablen, die man noch entdecken müsse. Das Phänomen der Verschränkung war für Einstein der Beweis, dass die Quantentheorie noch unvollständig sei. Inzwischen weiß man aber, so der Autor, dass unsere Realität nicht lokal ist. Dies wurde mit verschiedenen Experimenten nachgewiesen. Auch wird eine Kontroverse von Niels Bohr und Einstein im Hinblick auf die Unschärferelation in diesem Beitrag nachgezeichnet. Beide Forscher haben sich zeitlebens über physikalische Themen gestritten. Dabei wurde immer wieder deutlich, dass sich Einstein mit vielen Konzepten der Quantenphysik nicht anfreunden konnte. Er dachte sich immer wieder Gegenbeweise aus, die sich allerdings allesamt als nicht haltbar herausgestellt haben. Sehr interessant!