Archiv der Kategorie: Physik

Verrückte Quanten bereiten klassischer Physik Niederlage

Quantenphysikalische Teilchen können an mehreren Orten gleichzeitig sein und hinterlassen dabei sogar Spuren. Das haben Physiker der Goethe-Universität in einem verblüffenden Experiment nachgewiesen, das Albert Einstein vor mehr als 80 Jahren anregte. Damals konnte sein wichtigster Kontrahent, der Physiker Niels Bohr, ihm lediglich Argumente entgegensetzten. Jetzt geben die neuen Experimente dem Dänen Recht.

FRANKFURT. Einstein hat Zeit seines Lebens die quantenphysikalische Aussage bekämpft, dass Teilchen – solange man sie nicht beobachtet – an mehreren Orten gleichzeitig sein können. Sein wichtigstes Gegenargument war: Die geisterhaften Teilchen müssten durch Zusammenstöße mit anderen Teilchen entlang ihrer Bahn eine sichtbare Spur hinterlassen. Eben diese Spur hat Dr. Lothar Schmidt in der Arbeitsgruppe von Prof. Reinhard Dörner am Institut für Kernphysik der Goethe-Universität nun gemessen.

Das klassische Experiment, das auch heutigen Physikstudenten noch Kopfzerbrechen bereitet, ist die Streuung quantenphysikalischer Teilchen am Doppelspalt. Solange es unbeobachtet ist, scheint jedes einzelne Teilchen durch beide Schlitze des Spalts zu gehen. Es bildet – ähnlich wie Wasserwellen – ein Interferenzmuster hinter dem Spalt. Dieses verschwindet aber, sobald man eine Information über den Weg des Teilchens zu gewinnen versucht.

Einstein argumentierte, man müsse gar nicht nachsehen, wo das Teilchen ist, denn es verrate seinen Ort indirekt, indem es beim Passieren des Spalts einen Impuls überträgt: Ginge es durch den linken Schlitz, erfahre das Beugungsgitter einen minimalen Stoß nach links, und entsprechend nach rechts, wenn es durch den rechten Spalt geht. Bohr konterte, auch das Beugungsgitter verhalte sich wie ein quantenmechanisches System, das heißt, es müsse gleichzeitig in beide Richtungen abgelenkt werden.

Dass diese verrückt klingende Vermutung tatsächlich richtig ist, haben Dörner und seine Mitarbeiter jetzt durch die Streuung von Helium-Atomen an einem „Doppelspalt“ nachgewiesen. Mit den Modellen der klassischen Physik lassen sich die gemessenen Ergebnisse nicht beschreiben. „Da wir bei dieser Versuchsanordnung nicht beobachten, durch welches Loch das Teilchen gegangen ist, passiert genau das, was Bohr vorhergesagt hat: Der Doppelspalt rotiert gleichzeitig mit und gegen den Uhrzeigersinn“, erklärt Schmidt. (Quelle: idw).

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Eine der wichtigsten naturwissenschaftlichen Erkenntnisse

Julius_Robert_Meyer
Julius_Robert_Meyer

Eine der wichtigsten naturwissenschaftlichen Erkenntnisse, die unsere gesamte Anschauung über das Wesen der Natur grundlegend beeinflusst hat, verdanken wir einem einfachen Arzt.

Der Vorgang ist deshalb noch besonders interessant, weil die tiefe Erkenntnis einem Menschen ganz plötzlich gelang, der bis dahin auch nicht das Geringste geleistet hatte, bei dem nichts auf eine besondere Befähigung hinwies, und der auch nicht zum zweiten Mal hervorgetreten ist.

Julius Robert Mayer wurde am 25. November 1814 als dritter Sohn eines Apothekers in Heilbronn geboren. Auf der Schule hat der Knabe sehr schlechte Leistungen aufzuweisen gehabt. Auch seine Doktordissertation über das damals gerade gefundene Santonin lässt in keiner Weise einen hervorragenden Denker oder Forscher erkennen. 1840 trat Mayer als Schiffsarzt in niederländische Dienste, um nach Java zu fahren. Der Inhalt des uns erhaltenen Tagebuchs dieser Reise ist durchaus belanglos.

Aber auf der Reede von Surabaya ging ihm durch eine an sich ganz nebensächliche Beobachtung plötzlich eine Gedankenreihe auf, die zu der grundlegenden Erkenntnis führte, dass Wärme und mechanische Arbeit miteinander verwandt seien, dass die eine sich in die andere umwandeln könne. Nach seiner Rückkehr fasste er am 16. Juni 1841 das von ihm entdeckte Gesetz von der Erhaltung der Kraft in einer kleinen Abhandlung zusammen, die er der damals bedeutendsten wissenschaftlich-physikalischen Zeitschrift, den »Poggendorff’schen Annalen« einsandte. Poggendorff erkannte den Wert der Arbeit nicht und schickte sie zurück. Man kann ihm daraus keinen allzu großen Vorwurf machen, da Mayer selbst seine Gedankenreihe sehr mangelhaft begründet hatte, wie es denn überhaupt scheint, dass er selbst die ganze epochale Bedeutung seiner Erkenntnis niemals ganz erfasst hat.

So ist es Julius Robert Mayer zu Lebzeiten denn auch niemals gelungen, sich durchzusetzen, und zahllose Gegner machten ihm so viel zu schaffen, dass er zwei Selbstmordversuche unternahm und 1878 verbittert starb. Dennoch steht fest, dass er als Erster das große Gesetz von der mechanischen Wärmeäquivalenz erkannt hat; nachdem es von Joule und namentlich von Helmholtz fester fundamentiert worden war, hat es auf die ganze Physik bedeutsamsten Einfluss gewonnen.

(Quelle: Moszkowski: 1000 Wunder; Wilhelm Ostwald: »Große Männer«. Akademische Verlagsgesellschaft m.b.H., Leipzig, 1909.)

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Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Durchbruch bei Quantenteleportation: Quantenbits auf Knopfdruck übertragen

Deterministische Quantenteleportation eines photonischen Quantenbits. Jedes Qubit, das von links in den Teleporter fliegt, verlässt den Teleporter rechts mit einem Qualitätsverlust von nur etwa 20 Prozent – ein Wert, der klassisch, d.h. ohne Verschränkung, unerreichbar ist. Quelle: University of Tokyo
Deterministische Quantenteleportation eines photonischen Quantenbits. Jedes Qubit, das von links in den Teleporter fliegt, verlässt den Teleporter rechts mit einem Qualitätsverlust von nur etwa 20 Prozent – ein Wert, der klassisch, d.h. ohne Verschränkung, unerreichbar ist.
Quelle: University of Tokyo

Mithilfe quantenmechanischer Verschränkung räumlich getrennter Lichtfelder ist es Wissenschaftlern aus Tokio und Mainz gelungen, photonische Quantenbits außerordentlich zuverlässig zu teleportieren. Rund 15 Jahre nach den ersten Versuchen auf dem Gebiet der optischen Teleportation ist damit ein entscheidender Durchbruch gelungen.

Der Erfolg des in Tokio durchgeführten Experiments beruht auf einer Hybridtechnik, bei der zwei konzeptionell verschiedene, bisher unvereinbare Ansätze verknüpft werden. „Diskrete, digitale optische Quanteninformation kann dabei kontinuierlich und damit sozusagen auf Knopfdruck übertragen werden“, erklärt Univ.-Prof. Dr. Peter van Loock von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Van Loock hat als Physik-Theoretiker die experimentellen Physiker um Akira Furusawa von der Universität Tokio beraten, wie sie den Teleportationsversuch am effizientesten durchführen und eine erfolgreiche Quantenteleportation letztlich auch verifizieren können. Die Forschungsarbeiten wurden in dem renommierten Fachmagazin Nature am 15. August 2013 veröffentlicht.

Die Quantenteleportation ermöglicht den Transfer von beliebigen Quantenzuständen von einem Sender, als Alice bezeichnet, zu einem räumlich entfernten Empfänger, genannt Bob. Voraussetzung ist, dass sich Alice und Bob zunächst einen verschränkten Quantenzustand, z.B. in Form von verschränkten Photonen, über die Distanz teilen. Die Quantenteleportation ist von fundamentaler Bedeutung für die Verarbeitung von Quanteninformation (Quantencomputing) und die Quantenkommunikation. Insbesondere für die Quantenkommunikation gelten Photonen als optimale Informationsträger, da sie eine Signalübertragung mit Lichtgeschwindigkeit ermöglichen. Mit einem Photon kann man ein Quantenbit oder Qubit darstellen – analog zu einem Bit in der klassischen Informationsverarbeitung. Man spricht dann von „fliegenden Quantenbits“.

Erste Versuche zur Teleportation von einzelnen Photonen, die auch als Lichtteilchen bezeichnet werden, gehen auf den Wiener Physiker Anton Zeilinger zurück. In der Zwischenzeit wurden verschiedene Experimente durchgeführt, allerdings stieß die Teleportation eines photonischen Quantenbits mithilfe der herkömmlichen Methoden aufgrund von experimentellen Unzulänglichkeiten und grundsätzlichen Prinzipien an Grenzen.

Der Schlüssel für das Experiment in Tokio ist eine Hybridtechnik. Mit ihrer Hilfe ist es gelungen, experimentell eine vollkommen deterministische Quantenteleportation von photonischen Qubits zu erzielen, bei der die Teleportation mit außerordentlich hoher Zuverlässigkeit erfolgt. Die Genauigkeit der Übertragung liegt bei 79 bis 82 Prozent für vier unterschiedliche Qubits. Außerdem konnten die Qubits selbst bei einem geringen Grad der Verschränkung wesentlich effizienter teleportiert werden als in früheren Experimenten.

Verschränkung-on-Demand durch Lichtquetschung

Der Begriff der Verschränkung geht auf Erwin Schrödinger zurück und bezeichnet den Befund, dass zwei Quantensysteme, beispielsweise zwei Lichtteilchen, einen gemeinsamen Zustand einnehmen und in ihrem Verhalten auf stärkere Weise voneinander abhängen als es klassisch möglich ist. Bei dem Tokioter Experiment wurde durch die Verschränkung von vielen Photonen mit vielen Photonen eine kontinuierliche Verschränkung erzeugt, bei der nicht nur einzelne wenige Lichtteilchen, sondern die kompletten Amplituden und Phasen zweier Lichtfelder miteinander quantenkorreliert sind. Bisherige Experimente hatten dagegen jeweils nur ein einzelnes Photon mit einem anderen einzelnen Photon verschränkt – eine weniger effiziente Lösung. „Die Verschränkung von Photonen hat in dem Tokio-Experiment sehr gut funktioniert – praktisch auf Knopfdruck, sobald der Laser eingeschaltet wurde“, beschreibt van Loock, Professor für Theorie der Quantenoptik und Quanteninformation, den Versuch. Erreicht wurde diese kontinuierliche Verschränkung durch sogenanntes gequetschtes Licht, das im Phasenraum des Lichtfeldes die Form einer Ellipse annimmt. Ist die Verschränkung erzeugt, kann ein drittes Lichtfeld beim Sender angeheftet werden. Von dort können dann im Prinzip beliebige und beliebig viele Zustände an den Empfänger übertragen werden. „In unserem Experiment waren es genau vier ausreichend repräsentative Testzustände, die unter Benutzung der Verschränkung von Alice übermittelt wurden und bei Bob entsprechende Zustände erzeugt haben. Dank der kontinuierlichen Verschränkung ist es möglich, dass die photonischen Qubits deterministisch, also bei jedem Versuch, zu Bob übertragen werden“, ergänzt van Loock.

Frühere Experimente zur optischen Teleportation waren unterschiedlich angelegt und bis heute inkompatibel. Von physiktheoretischer Seite wurde zwar angenommen, dass die beiden unterschiedlichen Ansätze, die diskrete und die kontinuierliche Welt, zu verbinden sind. Dass es nun im Experiment mit der Hybridtechnik tatsächlich gelungen ist, stellt einen technologischen Durchbruch dar. „Jetzt nähern sich die beiden Welten an“, so van Loock.
( Quelle: idw. Veröffentlichung: Shuntaro Takeda et al. Deterministic quantum teleportation of photonic quantum bits by a hybrid technique. Nature, 15. August 2013. DOI: 10.1038/nature12366)
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Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Der Anfang allen Seins

Die moderne Kosmologie geht davon aus, dass unser Universum aus dem Nichts entstanden ist. Wenn man so eine Aussage liest oder hört, drängt sich sofort die Frage auf, wie denn aus nichts etwas entstehen kann. Nicht nur das physikalische Prinzip, dass es zu jedem physischen Ereignis eine physische Ursache geben muss, sondern auch der »gesunde Menschenverstand« lässt die Aussage eher als eine philosophische Idee erscheinen und weniger als eine wissenschaftlich fundierte Theorie. Eine wissenschaftliche Theorie muss empirisch überprüfbar sein. Wie kann aber der Anfang allen Seins durch ein Experiment überprüft werden? Welche Fakten sprechen für den Beginn von Raum, Zeit und Materie aus dem Nichts?
Trotz der Zweifel gibt es gute und rational nachvollziehbare Gründe, von einem Beginn des Universums aus dem Nichts auszugehen. Den Beginn, kurz Urknall, darf man sich nicht als eine riesige Explosion im Weltall vorstellen. Der Urknall ist ganz unspektakulär ein nicht näher bekannter physikalischer Zustand, bei dem Raum und Zeit sowie die beteiligten Energien in einem winzigen Bereich extrem hoher Dichte zusammenfallen (Singularität). Wenn die Theorie richtig ist, dann existierte das Weltall vor der Singularität genauso wenig, wie es davor Materie gab. Auch Zeit hätte ihren Ursprung erst im Urknall.
Der englische Astronom Fred Hoyle, der Anhänger eines ewigen, statischen Universums war, wollte durch die unwissenschaftliche Bezeichnung Urknall (engl. »Big Bang«) die Theorie der Urknall-Verfechter unglaubwürdig erscheinen zu lassen. Zu diesen Verfechtern gehörte sein belgischer Kollege, der Theologe und Astrophysiker, Georges Lemaître. Hoyle sprach sich dafür aus, dass sich das Universum in einem Zustand der Gleichförmigkeit (Steady-State-Theorie) ohne Anfang und ohne Ende befinde.
Wie begründete Lemaître die Idee vom Anfang allen Seins aus dem Nichts? Handelte es sich um seine theologische Vorstellung oder gab es harte Fakten?

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Was passiert wenn Makro- und Quantenwelt zusammentreffen?

Heidelberg. Was passiert mit den manchmal geheimnisvollen Phänomenen der Quantenphysik, wenn man immer größere und schwerere Objekte betrachtet? Darüber stritten einst schon Erwin Schrödinger und Albert Einstein. Neue Experimente mit Systemen großer Masse sollen jetzt Hinweise zur Klärung dieses fundamentalen Rätsels liefern.

Wie die Quantenphysiker Markus Aspelmeyer und Markus Arndt von der Universität Wien in der Oktoberausgabe von “Spektrum der Wissenschaft” berichten, könnten sie darüber hinaus in Laborexperimenten sogar bestimmte Vorhersagen der Quantengravitation auf der sonst unerreichbaren Planck-Skala überprüfen – jener Dimension, bei der Raum und Zeit an ihre klassischen Grenzen stoßen.

Diese Art der Forschung hat ihren Ursprung im Jahre 1935. Damals entwarf der Theoretiker Erwin Schrödinger ein scheinbar paradoxes Gedankenexperiment, das seitdem Quantenphysiker und Philosophen beschäftigt. Es geht um die fundamentale Frage, ob auch ein makroskopisches Objekt in unbeobachtetem Zustand mehrere sich eigentlich ausschließende Eigenschaften annehmen kann – ob etwa eine Katze zugleich lebendig und tot zu sein. Dahinter steht das Problem des Messprozesses in der Quantenphysik.

Bei der Beobachtung etwa in einem Laborversuch reduziert sich der vorher nach der Quantentheorie mehrdeutige Zustand verschiedener Möglichkeiten auf genau eine Wirklichkeit, also genau einen bestimmten Messwert. Die Physiker sprechen dann auch vom “Kollaps der Wellenfunktion”. Lange Zeit waren solche Versuche jedoch nur auf die allerkleinsten Objekte der Nature – Atome und kleine Moleküle – beschränkt. Seit einigen Jahren verbuchen Physiker nun aber große Fortschritte bei quantenphysikalischen Experimenten mit makroskopischen Objekten. Diese enthalten beispielsweise Millionen oder Milliarden von Atomen, etwa in kleinen schwingenden Hebeln oder Membranen. Die Antworten beeinflussen unser grundlegendes Verständnis von Wirklichkeit und Kausalität.

Wenn also Makro- und Quantenwelt im Labor zusammentreffen – was werden wir aus diesen Experimenten lernen? Eines ist sicher: Vorläufig wird Raum für verschiedene Deutungen der Resultate bleiben. Sollten alle Experimente bei hoher Masse und Komplexität lediglich die Vorhersagen der etablierten Quantenphysik bestätigen, bliebe der philosophische Erkenntnisstand aus Sicht des Quantenphysikers unverändert. Gleichwohl würden dann etliche alternative Vorstellungen über die Welt ausgeschlossen werden – etwa jene, die den Kollapsmodellen zu Grunde liegen.

Nicht weniger spannend ist eine andere Variante. Nehmen wir an, die Forscher würden im Labor auf reproduzierbare Abweichungen von den etablierten Vorhersagen der gängigen Quantentheorie stoßen. Dann wäre es eine Herausforderung, zu entscheiden, ob diese mit “neuer Physik” oder doch im Rahmen der gängigen Quantentheorie ablaufen. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Oktober 2012)

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Überraschendes Experiment: Neutrinos schneller als das Licht?



Unter der Leitung des Berner Teilchenphysikers Antonio Ereditato hat eine internationale Forschungskollaboration im OPERA-Experiment am CERN Erstaunliches entdeckt: Neutrinos sind schneller unterwegs als das Licht, welches bisher die höchste existierende Geschwindigkeit war.

«Dieses Resultat ist eine komplette Überraschung», sagt Antonio Ereditato, Professor für Hochenergiephysik an der Universität Bern und Leiter des OPERA-Projekts: Die Teilchenphysiker haben im sogenannten OPERA-Experiment herausgefunden, dass Neutrinos, die unterirdisch vom CERN in Genf losgeschickt werden und nach einer 730 Kilometer langen Reise durch die Erde schliesslich ein Untergrund-Labor in den Bergen bei Rom erreichen, schneller unterwegs sind als das Licht. Dies teilt das CERN, das Europäische Laboratorium für Teilchenphysik, heute Freitag, 23. September 2011, mit. «Die Neutrinos sind signifikante 60 Nanosekunden schneller am Ziel, als man dies mit Lichtgeschwindigkeit erwarten würde», so der OPERA-Leiter. Eine Publikation der Daten folgt, und Antonio Ereditato stellt klar: «Dieses Ergebnis kann grosse Auswirkungen auf die geltende Physik haben – so gross, dass zurzeit eine Interpretation schwierig ist. Weitere Experimente für die Bestätigung dieser Daten müssen unbedingt folgen.»

Die Besonderheiten der Neutrinos

Neutrinos sind winzige Elementarteilchen, die Materie praktisch widerstandslos durchdringen. Ihre Spuren sind schwierig aufzuspüren, da sie nicht geladen sind und kaum mit ihrer Umgebung interagieren. Neutrinos kommen in drei verschiedenen Typen vor: Elektron-, Müon- und Tau-Neutrinos. Sie können sich auf einer langen Flugstrecke von einem Typ in einen anderen verwandeln. In der Elementarteilchenphysik wird diese Umwandlung «Neutrino-Oszillation» genannt.

Das OPERA-Projekt wurde 2006 gestartet, um die Umwandlung von verschiedenen Neutrino-Typen ineinander zu beweisen – was den Forschenden aus der Kollaboration von 13 Ländern auch gelang; letztes Jahr wurde die Verwandlung von Müon-Neutrinos in Tau-Neutrinos nachgewiesen.

Mit Atomuhren auf Nanosekunden genau

Die Daten, die im OPERA-Experiment in den letzten drei Jahren gesammelt wurden, weisen neben der Neutrino-Oszillation nun auch die Abweichung bei der erwarteten Geschwindigkeit der Kleinstteilchen nach: Eine aufwändige und hochpräzise Analyse von über 15’000 Neutrinos weist «die winzige, aber signifikante Differenz zur Lichtgeschwindigkeit nach», wie das CERN mitteilt. Die 60 Nanosekunden Zeitunterschied auf der Strecke CERN-Rom hat die OPERA-Kollaboration mit Expertinnen und Experten vom CERN sowie unter anderem mit Hilfe des nationalen Metrologieinstituts METAS in einer Hochpräzisions-Mess-Serie überprüft: Mit Hilfe von GPS und Atomuhren wurde die Flugdistanz auf 10 Zentimeter genau bestimmt und die Flugzeit auf 10 Milliardstel einer Sekunde – also auf Nanosekunden – genau gemessen. (Quelle: idw)

Buchtipp:
Supervereinigung: Wie aus nichts alles entsteht. Ansatz einer großen einheitlichen Feldtheorie

Technologiesprung bei spukhaft verschränkten Lichtteilchen

Video: Quantenverschränkung – Das Phänomen der Nichtlokalität

Eine neuartige Quelle von verschränkten Lichtteilchen haben Wiener PhysikerInnen um Philip Walther und Anton Zeilinger entwickelt. Diese erlaubt es erstmals nachzuweisen, dass ein verschränkter Zustand vorliegt, ohne diesen zu messen.

Verschränkung ist eine Eigenschaft der Quantenmechanik, die kaum mit dem alltäglichen, makroskopischen Verständnis der Welt vereinbar ist und kein Gegenstück in der klassischen Physik besitzt. Sind zwei Lichtteilchen (Photonen) miteinander verschränkt, so bleiben sie über beliebige Distanzen verbunden. Führt man eine Messung, z.B. des Polarisationszustandes, an einem der beiden Teilchen durch, so ändert sich auf “spukhafte Weise” auch der Zustand des anderen Teilchens.

Für die Realisierung von auf Verschränkung basierenden Technologien, wie optischen Quantennetzwerken und photonischen Quantencomputern, ist diese wissenschaftliche Arbeit der Wiener PhysikerInnen ein wichtiger Schritt.

Bisher hatte die Standardquelle für verschränkte Photonen einen entscheidenden Nachteil: Der Emissionszeitpunkt war unbekannt und es ließ sich damit nicht feststellen, wann die Teilchen die Quelle verlassen. Diese spontane Emission der Teilchenpaare führte zu diversen Problemen bei experimentellen Realisierungen. Möchte man z.B. einen Quantencomputer auf der Basis von Photonen bauen, hieße das, dass man nicht genau weiß, wann die sogenannten Quantenbits, in diesem Fall in Form von Photonen, vorhanden sind. In der Praxis bedeutet dies, dass nach jedem vermuteten Rechenschritt Photonen gemessen werden müssen, um festzustellen, ob dieser erfolgreich war.

Die von Wiener ForscherInnen realisierte Quelle von verschränkten Photonenpaaren, bei der die Emission der Paare angekündigt wird, macht eine Messung zur Anwesenheit der Teilchen überflüssig und ermöglicht eine Erweiterung des derzeitigen optischen Quantencomputers. Das Konzept dieser Quelle basiert auf zusätzlichen Hilfsteilchen, deren Messung eine Aussage über den Zustand der verbleibenden Teilchen ermöglicht. Im konkreten Fall des Wiener Experiments präparieren die ForscherInnen sechs Photonen in einem speziellen quantenmechanischen Zustand. Misst man nun vier dieser Photonen in einer festgelegten Konfiguration, so befinden sich die übrigen beiden Photonen in einem verschränkten Zustand. “Vier gleichzeitige Detektorklicks der vier Hilfsphotonen signalisieren also die Aussendung eines Paares verschränkter Photonen”, erklärt die am Experiment beteiligte Physikerin Stefanie Barz.

Neben der fundamentalen Bedeutung von verschränkten Systemen, liefern diese auch vollkommen neue Ansätze zur Informationsverarbeitung und zur abhörsicheren Kommunikation unter Ausnutzung von quantenmechanischen Prinzipien. Verschränkte Photonen bilden daher seit vielen Jahren einen Ausgangspunkt für zahlreiche Grundlagenexperimente zur Quantenmechanik und sind die Basis für experimentelle Realisierungen von Konzepten zur Quanteninformationsverarbeitung. So wurden bereits einfache Quantencomputer realisiert, die die Gesetze der Quantenmechanik ausnutzen, um eine schnellere und sicherere Informationsverarbeitung zu ermöglichen. (Quelle: idw)

Riesige Wasservorkommen im All aufgefunden

Wasser im All

Wasser gilt als Elixier des Lebens – und das Weltall ist voll davon. Jetzt haben Wissenschaftler das kostbare Element in einer Scheibe um einen jungen Stern vom Typ unserer Sonne gefunden. Die Scheibe, in der später vermutlich Planeten geboren werden, beinhaltet hundertmal mehr Wasser als alle Ozeane der Erde zusammen. Die Beobachtungen gelangen mit dem IRAM-Interferometer und werfen ein Licht auf die rätselhafte Herkunft von Wasser in unserem eigenen Sonnensystem (The Astrophysical Journal, 10. Februar 2010).

Ein Großteil des Wassers in den irdischen Ozeanen stammt sehr wahrscheinlich aus einer überaus instabilen molekularen Wolke, aus der einst unser Planetensystem entstand. Wo sich das Wasser allerdings genau gebildet hat und wie die einzelnen Moleküle schließlich vor ungefähr 4,5 Milliarden Jahren ihren Weg von der riesigen Wolke auf einen so winzigen Himmelskörper wie die Erde fanden, zählt zu den wichtigsten Fragen unserer Ursprungsgeschichte. Riesige Wasservorkommen im All aufgefunden weiterlesen

Geist in der Materie entdeckt?

Der Nobelpreisträger Max Planck (1858-1947) war einer der Pioniere der Quantenphysik und deshalb nicht verdächtig einem esoterischen Weltbild anzuhängen. Er vermutete hinter der Kraft, welche die Atomteilchen in Schwingung bringt und die Materie zusammenhält »einen bewussten, intelligenten Geist«. Diesen hielt er für den »Urgrund aller Materie«. Das waren seine Worte auf einem Vortrag, den er 1944 in Florenz hielt. Er sagte außerdem noch, dass es »keine Materie an sich gibt«.

Das materialistische Weltbild des 19. Jahrhunderts, dessen Nachbeben wir bis heute spüren, sah Materie als etwas an, das aus ewigen, unteilbaren und unvergänglichen Atomen aufgebaut ist. Über das, was es mit der angeblichen Unteilbarkeit von Atomen auf sich hat, weiß die Allgemeinheit zumindest seit Hiroshima Bescheid. Was die Allgemeinheit weniger weiß ist, dass die Atomspaltung nicht nur mit Zerstörung gleichzusetzen ist, sondern einhergeht mit Erkenntnissen, denen wir das Handy, den CD-Player, den PC und den Scanner in den Supermarktkassen verdanken. Wie von Zauberhand erscheinen nach dem Scannen der Ware Preise auf dem Kassendisplay. Welchen Vorstellungen von der Materie verdanken wir diese Errungenschaften unserer Wissenschaft, die einen mittelalterlichen Magier zum größten Zauberer seiner Zeit gemacht hätten, wenn er sie nur hätte vorführen können?

Für die heutige Physik gehört alles zur Materie, was aus Elektronen und Quarks und zwar aus Up-Quarks und Down-Quarks aufgebaut ist. Das muss man erst einmal verinnerlichen: Materie ist alles, was aus nur drei elementaren Bestandteilen besteht! Egal ob Gold, Blei, Wasserstoff oder Kohlenstoff. Egal ob ein Holzstuhl oder ein Hamburger. Alles besteht nur aus drei sogenannten Elementarteilchen: den Elektronen und zwei Sorten Quarks.

Elektronen kann man leicht erzeugen und beobachten. Die alten Röhrenfernseher liefern ein Zeugnis davon. Bei den Quarks ist das anders. Noch nie hat jemand Quarks beobachten, geschweige denn vorführen können. Und dennoch sollen die Protonen und Neutronen im Kern des Atoms aus diesen Quarks bestehen. Die Physiker schließen auf die Existenz von Quarks aufgrund von Beobachtungen, die sie machen, wenn sie in den Teilchenbeschleunigern wie CERN Protonen des Atomkerns mit anderen Teilchen und hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen lassen. Das ist so, als würde man davon ausgehen, dass ein Fliegengewichtsboxer, der ein Schwergewicht K. O. schlägt, ein Hufeisen in seinem Boxhandschuh versteckt habe. Bevor man nicht in den Boxhandschuh reinschauen kann, weiß man es aber nicht.

Noch seltsamer mutet einem die Vorstellung von Materie an, wenn man weiß, dass Atome fast ausschließlich aus leerem Raum bestehen. Der Atomkern, in dem man die Protonen mit den Quarks finden kann, macht höchstens den zehntausendsten Teil des Atomdurchmessers aus. Der Raum um den Kern herum ist der Bereich, für den es eine größere Wahrscheinlichkeit gibt, dass man dort ein Elektron findet. Aber das gilt nicht als sicher. Die Regeln der Quantenphysik besagen, dass man das Elektron eines bestimmten Atoms genauso gut auch in New York oder sonst wo im Weltall finden kann, wenn auch mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit. Aber unmöglich ist es nicht.

Völlig unerklärlich ist, dass Atome, Elektronen oder Protonen bei bestimmten Untersuchungen überhaupt nichts Materielles mehr an sich haben. Sie scheinen Welleneigenschaft zu besitzen und auf dem Beobachtungsschirm tauchen Wellenmuster auf. So verflüchtigt sich auf einmal das noch verbliebene Materielle an der Materie. Wenn es »keine Materie an sich gibt«, wie Planck sagte, was ist es dann, was die Materie ausmacht? Ist es eine Art Geist?

Eine Form von Geist, der in der Materie steckt, ist Information. Das kann man sich klar machen, wenn man ein Beispiel betrachtet, das drei Bausteine zum Gegenstand hat und damit dem Aufbau der Atome aus drei Elementarteilchen entspricht. Beispielsweise kann man sich zwei Kinder, einen Jungen und ein Mädchen vorstellen. Sie besitzen einen Eimer voll mit Lego-Bausteinen. Es sind drei Sorten Steine, nämlich solche mit zwei, vier und acht Noppen. Aus diesen Steinen baut das Mädchen ein kleines Puppenhaus mit zwei Zimmern, Möbeln, Ofen usw. Der Junge baut dagegen eine große Burg mit mächtigen Mauern, Zinnen, Toröffnung und Graben.

Die Frage ist nun, worin sich Puppenhaus und Burg unterscheiden? Beide Bauwerke sind aus den gleichen Steinen hergestellt. Die einzige Unterscheidung zwischen Puppenhaus und Burg ist die Zahl und Anordnung der Steine. Das gleiche gilt für unsere Welt, in der die unterschiedlichen Elemente Gold, Blei, Wasserstoff oder Kohlenstoff usw. sich nur in der Zahl und Anordnung der Elementarteilchen unterscheiden. Da alle Materie aus den Elementen aufgebaut ist, unterscheidet sich alles, was materiell existiert nur durch die Zahl und Anordnung der Elementarteilchen.

Die Anordnung ist nichts anderes als Information. Die Formen, anhand denen man erkennt, ob es sich um ein Puppenhaus oder eine Burg handelt, sind Informationen und auch die unterschiedlichen Formen und Muster der materiellen Welt sind alles Informationen. Aber Information ist sicher nicht der Geist, den Planck meinte. Denn Information ist nichts Lebendiges. Information ist passiv. Planck sprach dagegen von einem bewussten, intelligenten Geist und ein bewusster Geist ist etwas Lebendiges.

Einen Hinweis auf diesen bewussten Geist finden wir in der Interpretation der physikalischen Experimente mit Quanten. Quanten sind winzige Energiepakete, die sich je nach Art der Messung als Wellen oder Teilchen zeigen. Wegen dieses Verhaltens gelten Atome, Elektronen, Photonen (Lichtteilchen) und dergleichen – gleichgültig, ob die Objekte zur Materie zählen oder nicht – alle als Quanten. Zu einem der wichtigsten Experimente der Quantenphysik gehört jenes, bei dem man Lichtteilchen oder Elektronen auf eine Wand schickt, in der sich ein kleiner Doppelspalt befindet. Dahinter fängt man auf einem Beobachtungsschirm auf, was durch die Spalte hindurchkommt. Auf diese Weise beobachtet man das Verhalten der Quantenobjekte und kann es interpretieren.

Um Bewusstsein bei Quanten feststellen zu können, muss man wissen, anhand welcher Kriterien man Bewusstsein überhaupt feststellen kann. Bewusstsein ist kein Untersuchungsgegenstand der Quantenphysik. Deshalb findet man in dieser Disziplin keine geeigneten Kriterien zur Erkennung von Bewusstsein. Hier muss die Psychologie aushelfen. Die Psychologie hat mithilfe geeigneter Kriterien schon bei zahlreichen Tierarten Bewusstsein nachgewiesen. Das Hauptkriterium zur Erkennung einer primären Form von Bewusstsein, das allerdings noch nicht das höhere Ich-Bewusstsein einschließt, ist erstens die Fähigkeit, sich auf unerwartete Veränderungen der Wirklichkeit einzustellen und zweitens ein nicht sicher vorhersehbares, eigengesteuertes Verhalten.

Das ist aber genau das, was man an dem Verhalten von Lichtteilchen oder anderen Quanten feststellen kann, die offensichtlich selbst entscheiden, welchen Weg sie an einem Strahlenteiler durchlaufen oder welche Polarisierung sie bei einer Polarisationsmessung annehmen. Es gibt keine Formeln oder physikalischen Gesetze, anhand derer man dieses Verhalten vorausberechnen könnte. Man hat nur die Möglichkeit das Verhalten mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorauszusagen. Sicherheit gibt es aber nicht. Und das entspricht beim Kriterium für primäres Bewusstsein, dem nicht sicher vorhersehbaren, eigengesteuerten Verhalten.

Immer wenn Lichtteilchen sich unbeobachtet glauben, bilden sie ein Wellenmuster auf dem Beobachtungsschirm beim Doppelspaltexperiment. Sie sind allerdings sehr eigenwillig: Wenn man nämlich einzelnen Quanten nachspürt, um mehr zu erfahren, verschwindet das Wellenmuster und es bleiben nur noch zwei Streifen übrig. Das gleiche gilt, wenn man abwechselnd einen der Spalte schließt, um mit Sicherheit sagen zu können, durch welchen Spalt ein bestimmtes Lichtteilchen gegangen ist. Die Quanten stellen sich auf alle Veränderungen der Wirklichkeit sofort ein. Ein Psychologe würde aus dem eigenwilligen Verhalten schließen, dass Quanten primäres Bewusstsein zeigen.

Planck kannte natürlich die grundlegenden Experimente der Quantenphysik einschließlich des Doppelspalt-Experiments. So ließ ihn möglicherweise das in den Experimenten offengelegte Verhalten der Materie zu dem Schluss kommen, dass ein bewusster, intelligenter Geist der »Urgrund aller Materie« ist. – Klaus-Dieter Sedlacek

Der Text enthält zum Teil Inhalte aus dem Sachbuch mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein – Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« (ISBN 978-3837043518 )

Elektronen an zwei Orten gleichzeitig

Video: Die Quantenphysik

In einer Art molekularem Doppelspaltexperiment haben Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts (FHI) der Max-Planck Gesellschaft in Zusammenarbeit mit Forschern vom California Institute of Technology in Pasadena/USA erstmals an Elektronen nachgewiesen, dass diese gleichzeitig Eigenschaften von Welle und Teilchen besitzen und quasi per Knopfdruck zwischen beiden Zuständen hin- und hergeschaltet.

Vor hundert Jahren begann man den in der Naturphilosophie postulierten dualen Charakter der Natur auch auf der Ebene elementarer physikalischer Vorgänge schrittweise zu erkennen. Albert Einstein war der erste, der 1905 diese Konsequenz aus Plancks Quantenhypothese zog. Er ordnete dem eindeutig als elektromagnetische Welle bekannten Photon Teilchencharakter zu. Dies ist die Quintessenz seiner Arbeit zum Photoeffekt. Später war es vor allem deBroglie, der 1926 erkannte, dass alle uns als Teilchen bekannten Bausteine der Natur – Elektronen, Protonen etc. – sich unter bestimmten Bedingungen wie Wellen verhalten.
Die Natur in ihrer Gesamtheit ist also dual; kein einziger ihrer Bestandteile ist nur Teilchen oder Welle. Niels Bohr führte zum Verständnis dieser Tatsache 1923 das Korrespondenz-Prinzip ein, das vereinfacht besagt: Jeder Bestandteil der Natur hat sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter und es hängt nur vom Beobachter ab, welchen Charakter er gerade sieht. Anders gesagt: Es hängt vom Experiment ab, welche Eigenschaft – Teilchen oder Welle – man gerade misst. Dieses Prinzip ist als Komplementaritätsprinzip in die Geschichte der Physik eingegangen.

Albert Einstein war diese Abhängigkeit der Natureigenschaften vom Beobachter Zeit seines Lebens suspekt. Er glaubte, es müsse eine vom Beobachter unabhängige Realität geben. Doch die Quantenphysik hat die Tatsache, dass es keine unabhängige Realität zu geben scheint, im Laufe der Jahre einfach als gegeben akzeptiert, ohne sie weiter zu hinterfragen, da alle Experimente sie immer wieder und mit wachsender Genauigkeit bestätigt haben.

Bestes Beispiel ist das Young’sche Doppelspaltexperiment. Bei diesem Doppelspaltexperiment lässt man kohärentes Licht auf eine Blende mit zwei Schlitzen fallen. Auf einem Beobachtungsschirm hinter der Blende zeigt sich dann ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen. Das Experiment kann aber nicht nur mit Licht, sondern auch mit Teilchen wie z. B. Elektronen durchgeführt werden. Schickt man einzelne Elektronen nacheinander durch den offenen Young’schen Doppelspalt, erscheint auf der dahinterstehenden Photoplatte ein streifenförmiges Interferenzmuster, das keinerlei Information über den Weg, den das Elektron genommen hat, enthält. Schließt man jedoch einen der beiden Spalte, so erscheint auf der Photoplatte ein verwaschenes Abbild des jeweils offenen Spaltes, aus dem man den Weg des Elektrons direkt ablesen kann. Eine Kombination aus Streifenmuster und Lagebild ist in diesem Doppelspaltexperiment jedoch nicht möglich, dazu bedarf es eines molekularen Doppelspaltexperiments.

Obwohl jedes Elektron einzeln durch einen der beiden Spalte zu laufen scheint, baut sich am Ende ein wellenartiges Interferenzmuster auf, als ob sich das Elektron beim Durchgang durch den Doppelspalt geteilt hätte, um sich danach wieder zu vereinen. Hält man aber einen Spalt zu oder beobachtet man, durch welchen Spalt das Elektron geht, verhält es sich wie ein ganz normales Teilchen, das sich zu einer bestimmten Zeit nur an einem bestimmten Ort aufhält, nicht aber an beiden gleichzeitig. Je nachdem also, wie man das Experiment ausführt, befindet sich das Elektron entweder an Ort A oder an Ort B oder an beiden gleichzeitig.
Das diese Doppeldeutigkeit erklärende Bohrsche Komplementaritäts-Prinzip fordert aber zumindest, dass man nur eine der beiden Erscheinungsformen zu einer gegebenen Zeit in einem gegebenen Experiment beobachten kann – entweder Welle oder Teilchen, aber nicht beides zugleich. Entweder ist ein System in einem Zustand des wellenartigen “Sowohl-als-auch” oder aber des teilchenartigen “Entweder-oder” in Bezug auf seine Lokalisierung.

In jüngster Zeit hat eine Klasse von Experimenten ergeben, dass diese verschiedenen Erscheinungsformen der Materie ineinander überführbar sind, das heißt, man kann von einer Form in die andere schalten und unter bestimmten Bedingungen wieder zurück. Diese Klasse von Experimenten nennt man Quantenmarker und Quantenradierer. Sie haben in den letzten Jahren an Atomen und Photonen und seit jüngstem auch an Elektronen gezeigt, das es ein Nebeneinander von “Sowohl-als-auch” und “Entweder-oder” für alle Formen der Materie gibt, also eine Grauzone der Komplementarität. Es gibt demzufolge experimentell nachweisbare Situationen, in denen die Materie sowohl als Welle aber auch als Teilchen gleichzeitig in Erscheinung tritt.

Beispiele dafür sind die Atom-Interferometrie, wo dieses Verhalten 1997 erstmalig bei Atomen, d.h. zusammengesetzten Teilchen, gefunden wurde. In der Ausgabe [nature, 29. September 2005] berichten die Berliner Max-Planck-Forscher gemeinsam mit Forschern vom California Institute of Technology in Pasadena/USA nun von molekularen Doppelspaltexperimenten. Diese beruhen darauf, dass sich Moleküle mit identischen und damit spiegelsymmetrischen Atomen wie ein von der Natur aufgebauter mikroskopisch kleiner Doppelspalt verhalten. Dazu gehört Stickstoff, wo sich jedes Elektron – auch die hochlokalisierten inneren Elektronen – an beiden Atomen gleichzeitig aufhält. Ionisiert man nun ein solches Molekül etwa mit weicher Röntgenstrahlung, führt diese Eigenschaft zu einer wellenartig streng gekoppelten Emission eines Elektrons von beiden atomaren Seiten, genauso wie im Doppelspaltexperiment mit Einzelelektronen.

Die Experimente wurden von Mitarbeitern der Arbeitsgruppe “Atomphysik” des FHI an den Synchrotronstrahlungslaboren BESSY in Berlin und HASYLAB bei DESY in Hamburg durchgeführt. Die Messungen mittels einer Multi-Detektoranordnung für kombinierten Elektronen- und Ionen-Nachweis fanden hinter so genannten Undulator-Strahlrohren statt, die weiche Röntgenstrahlung mit hoher Intensität und spektraler Auflösung liefern. Quelle: idw

Wenn sich jedes Elektron an zwei Orten gleichzeitig aufhalten kann, wie im vorletzten Absatz angeführt, dann hat das Folgen für unser Weltbild. Welche Folgen das sind, ist im Sachbuch mit dem Titel  Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen näher beschrieben.