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Elektronen gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten

Nach einem grundlegenden Theorem der Quantenmechanik sind bestimmte Elektronen in ihrem Ort nicht eindeutig bestimmbar. Zwei Physikern der Universität Kassel ist nun gemeinsam mit Kollegen in einem Experiment der Beweis gelungen, dass sich diese Elektronen tatsächlich an zwei Orten gleichzeitig aufhalten.

„Vermutet hat man dieses für den Laien schwer verständliche Verhalten schon lange, aber hier ist es zum ersten Mal gelungen, dies experimentell nachzuweisen“, erläuterte Prof. Dr. Arno Ehresmann, Leiter des Fachgebiets „Funktionale dünne Schichten und Physik mit Synchrotronstrahlung“ an der Universität Kassel. „In umfangreichen Versuchen haben wir an Elektronen von Sauerstoff-Molekülen die zum Beweis dieser Aussage charakteristischen Oszillationen nachgewiesen.“ Dr. André Knie, Mitarbeiter am Fachgebiet und Geschäftsführer des LOEWE-Forschungs-Schwerpunkts „Elektronendynamik chiraler Systeme“, ergänzte: „Dieses Experiment legt einen Grundstein für das Verständnis der Quantenmechanik, die uns wie so oft mehr Fragen als Antworten gibt. Besonders die Dynamik der Elektronen ist ein Feld der Quantenmechanik, dass zwar schon seit 100 Jahren untersucht wird, aber immer wieder neue und verblüffende Einsichten in unsere Natur ermöglicht.“

Die theoretischen Grundlagen für die Entdeckung gehen auf Albert Einstein zurück. Er erhielt für die Beschreibung des sogenannten Photoeffekts 1922 den Physik-Nobelpreis. Danach können Elektronen aus Atomen oder Molekülen mit Hilfe von Licht dann entfernt werden, wenn die Energie des Lichts größer ist als die Bindungsenergie der Elektronen. Einstein hat schon 1905 die mathematische Beschreibung dieses sogenannten Photoeffekts abgeleitet, in dem er damals Unerhörtes annahm: Licht wird dazu als ein Strom aus Lichtteilchen beschrieben und je ein Lichtteilchen („Photon“) übergibt seine Energie an je ein Elektron. Übersteigt diese Energie die Energie, mit dem das Elektron an das Atom gebunden ist, wird das Elektron freigesetzt. Soweit wurde diese Annahme später auch experimentell bestätigt.

Einstein weitergedacht

Darauf aufbauend lässt sich das Verhalten von Elektronen weiter untersuchen. In einem zweiatomigen Molekül, das aus zwei gleichen Atomen zusammengesetzt ist (z. B. das Sauerstoffmolekül O2) gibt es Elektronen, die sehr eng an das jeweilige Atom gebunden sind. Im Teilchenbild könnte man sich vorstellen, dass diese Elektronen um das jeweilige Atom kreisen. Nach der Quantenmechanik sind diese Elektronen allerdings nicht zu unterscheiden. Für ein Photon mit einer Energie, die größer ist als die Bindungsenergie dieser Elektronen (für beide Elektronen ist die Bindungsenergie gleich) stellt sich nun die Frage: An welches dieser beiden für mich als Photon nicht zu unterscheidenden Elektronen gebe ich meine Energie ab? Die Antwort der Quantenmechanik lautet: Das Photon gibt seine Energie zwar an ein einziges Elektron ab, aber dieses befindet sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit gleichzeitig nahe bei Atom 1 und nahe bei Atom 2 (das Gleiche gilt für das andere Elektron). Und: Elektronen sind auch als Welle verstehbar, genauso wie damals Einstein zur Beschreibung des Lichts Teilchen angenommen hat. Wird nun ein einziges Elektron vom Atom entfernt, so laufen die zugehörigen Wellen sowohl von Atom 1 aus, als auch von Atom 2, da sich dieses Elektron ja gleichzeitig da und dort befindet. Seit langem wurde daher schon vorhergesagt, dass sich diese beiden Wellen überlagern müssen und damit interferieren. Experimentell war der Nachweis dieser Interferenzmuster bis dato noch nicht gelungen.

Genau dies glückte jedoch nun der Forschungsgruppe, an der die Kasseler Physiker Ehresmann und Knie beteiligt waren – ein eindeutiger Beleg, dass sich ein Elektron gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten aufhält. Die Experimente wurden an den Synchrotronstrahlungsanlagen DORIS III bei DESY in Hamburg sowie BESSY II in Berlin durchgeführt. Dabei wurde monochromatische Synchrotronstrahlung auf gasförmige Moleküle fokussiert. Diese wurden durch die Strahlung ionisiert und die bei der Ionisation freiwerdenden Elektronen durch sogenannte Elektronenspektrometer winkel- und energieaufgelöst detektiert. (Quelle: idw)

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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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Experiment zur Vereinigung von Quantenmechanik und Relativitätstheorie


Die Vereinigung der Quantenmechanik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist eine wichtige offene Frage der modernen Physik. Die allgemeine Relativitätstheorie, welche die Gravitation, den Raum und die Zeit beschreibt, tritt auf großen Skalen, also bei Sternen und Galaxien, zum Vorschein. Auf der anderen Seite machen sich die fragilen Quanteneffekte bei den kleinsten Teilchen bemerkbar. Deswegen ist es schwer, Effekte zu erforschen, wo beide Theorien zusammenwirken. Theoretische PhysikerInnen unter der Leitung von Časlav Brukner der Universität Wien schlagen ein neuartiges Experiment vor, um genau dies zu tun. Die Ergebnisse erscheinen nun im Journal “Nature Communications”.

Zeit in der allgemeinen Relativitätstheorie

Eine der wichtigsten Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist die Deformierung der Zeit. Die Theorie sagt voraus, dass Uhren in der Nähe eines massiven Objekts langsamer laufen, und dass sie schneller laufen, je weiter sie von der Masse entfernt sind. Dieser Effekt resultiert im sogenannten “Zwillingsparadoxon”: Wenn einer von zwei identischen Zwillingen auf einer höher gelegenen Ebene lebt, so altert er schneller als der andere Zwilling. Dieser Effekt wurde in klassischen Experimenten bestätigt, jedoch nicht im Zusammenhang mit Quanteneffekten, welches das Ziel des neuartigen Experimentes sein soll.

Quanteninterferenz und Komplementarität Experiment zur Vereinigung von Quantenmechanik und Relativitätstheorie weiterlesen