Quantenphysik
Quantenradierer selbst gemacht
Mit leicht verfügbarem Material können Sie daheim ein Experiment ausführen, das einen besonders seltsamen Effekt der Quantenmechanik veranschaulicht. Je nachdem, ob man sich Information über den Weg von Lichtstrahlen verschafft oder nicht, verhalten diese sich wie Teilchen oder Wellen.
Verflogen ist die vertraute Welt, in der Atome und andere Partikel wie wohlerzogene Billardkugeln auf dem grünen Tuch der Realität umherrollen. Vielmehr verhalten sie sich – manchmal – wie Wellen, die sich über ein Gebiet verteilen, einander kreuzen und Interferenzmuster bilden.
Doch immerhin scheint all diese Fremdartigkeit erst weit entfernt vom Alltagsleben aufzutreten. Am deutlichsten machen sich Quanteneffekte in winzigen Systemen bemerkbar, etwa an Elektronen, die in einem Atom gebunden sind. Theoretisch weiß man zwar, dass die moderne Technik großenteils auf Quantenphänomenen beruht und dass im Labor allerlei Kunststücke mit Quanten aufgeführt werden können, aber zu Hause gibt es das doch wohl nur zu sehen, wenn eine Wissenschaftssendung im Fernsehen darüber berichtet. Richtig? Nicht ganz.
Auf den folgenden Seiten zeigen wir, wie man ein Experiment aufbaut, das einen so genannten Quantenradierer veranschaulicht. Dieser Effekt beruht auf einer der seltsamsten Eigenschaften der Quantenmechanik: Sie erlaubt uns bestimmte Handlungen, durch die sich unsere Interpretation vergangener Ereignisse grundlegend ändert.


Rachel Hillmer arbeitet an neuen Methoden, Quanteninformation mit Licht zu kodieren. Sie studiert bei Paul Kwiat, der Professor für Physik an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign ist. Er erforscht Quantenradierer und optische Quantenprogrammierung.
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1. Teilchen-Begriff
01.07.2007, Prof.Dr. Günter Frohberg, Berlin2. Was soll der Versuch demonstrieren?
02.07.2007, Dr. Mark Beinker, Frankfurt am Mainhat. Am Ende des Artikels wird der fachlich vollkommen korrekte Sachverhalt festgestellt, dass auch mit Hilfe quantenmechanischer Phänomene kein Signal mit Überlichtgeschwindigkeit übertragen werden
kann, mit anderen Worten: Auch die Quantentheorie erlaubt keine Fernwirkung.
Das tatsächlich Merkwürdige an der Quantenmechanik ist, dass sie das Prinzip der objektiven Realität verletzt: Ein Photon (oder
jedes andere quantenmechanische Objekt) besitzt keinen genau
festgelegten Impuls oder Ort, genauso wenig wie eine feste Polarisation. Es befindet sich in einem Quantenzustand, der sich als eine Überlagerung von vielen Zuständen darstellen lässt, aber es befindet sich dennoch nicht in all diesen Zuständen gleichzeitig, noch befindet es sich nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit in einem dieser Zustände. Die quantenmechanische Wahrscheinlichkeitsamplitude gibt eben keine Wahrscheinlichkeit im klassischen Sinn an. Dies ist aber keine neue Erkenntnis, wie Herr Breuer das in seinem Editorial darstellt, sondern so alt wie der Streit um die richtige Interpretation der Quantenmechanik. Am ehesten kann man sich die Quantentheorie vermutlich in der "viele-Welte"-Interpretation veranschaulichen, auch wenn dieses Bild (und mehr ist es nicht) philosophisch unbefriedigend ist.
3. Weitere Experimente zum Quantenradierer
10.07.2007, Meinrad Sidler und Dr. Jerzy Sromicki, Sursee, SchweizUnsere Experimente wurden vollständig unabhängig und im Rahmen der Maturaarbeit "Waves and Quanta" von Meinrad Sidler im vergangenen Jahr durchgeführt (in der Kantonsschule Sursee, 5. Klasse, also die vorletzte Klasse vor der Matura). Betreuer der Arbeit war Dr. Jerzy Sromicki.
„Spektrum der Wissenschaft“ spielt unserer Ansicht nach eine führende Rolle bei der Verbreitung von Ideen der modernen Physik (insbesondere Kosmologie und Quantentheorie). Als Schüler/Lehrer schätzen wir diese Aktivität des „Spektrum“ besonders hoch. Es würde uns deshalb sehr freuen, falls „Spektrum“ unsere Arbeit publizieren würde.
4. Quantenradierer in Schule und Abitur
11.07.2007, Wolf-Peter Hirlinger, HeidenheimIm Falle des Quantenradierers möchte ich aber darauf hinweisen, dass ein solches Experiment mit Laserpointer und Polarisationsfolien seit 2002 im Buch von Küblbeck und Müller beim Aulis Verlag veröffentlicht ist. Auf der Internetseite www.quantenphysik-schule.de findet sich seit 2003 eine detaillierte und bebilderte Bauanleitung, die gegenüber dem Vorschlag in Spektrum meines Erachtens einige Vorteile bietet: so wird anstelle des Drahtes ein richtiger Doppelspalt aus Rasierklingen verwendet und die Polarisationsfolien sind drehbar angebracht, sodass man jeden Winkel zwischen 0 und 90 Grad einstellen kann. Das Ganze wird auf der Hülle einer VHS Kassette stabil montiert. Damit lässt sich ein Experiment modellhaft nachspielen, von dem Richard Feynman behauptet, dass es das ganze Geheimnis der Quantenmechanik enthält. Sogar im Abitur von Baden-Württemberg war der Doppelspalt mit Polarisationsfolien dieses Jahr ein Thema. Man sieht also, wir in Deutschland sind durchaus auf der Höhe der Zeit und das sogar in der Schule.
5. Interferenz von polarisiertem Licht
13.07.2007, Herbert Haas, WürflachWenn man nur den "Markierer" in den Lichtweg stellt, dann entstehen ja (nach dem Metalldraht) zwei Strahlen, jeweils um 90° unterschiedlich polarisiert.
Können unterschiedlich polarisierte Lichstrahlen überhaupt miteinander interferieren? Naiverweise hätte ich vermutet, dass die zusätzliche Einbringung eines 45° Polfilters wieder für gleichpolarisierte und damit interferenzfähige Wellen sorgt.
Vielen Dank, Beste Grüße
Herbert Haas
6. Eine Welle entspricht vielen Korpuskeln
27.07.2007, Dr. Reinhard Fiebig, Großenbrode1. Die beschriebenen Effekte lassen sich leicht im Wellenbild durch Wirkung der nacheinander geschalteten Polarisatoren erklären.
2. Der Versuch einer Erklärung im Korpuskel-(Photonen-)bild führt aber zu erheblichen Schwierigkeiten.
3. Der Satz auf Seite 70 :" Obwohl Sie Billionen Photonen betrachten, interferiert jedes einzelne nur mit selbst" ist falsch.
Ein Photon kann nicht interferieren, nur seine zugeordnete Welle. Nun gehört aber zu einem einzelnen Photon keine monochromatische Welle, sondern ein breites Spektrum von Wellen. Dieses liefert aber an einem Hindernis keine Interferenzbilder, weil die einzelnen Frequenzen sich überlagern.
In der Tat, wenn man ein einzelnes Photon durch die Versuchsanordnung schicken würde, dann würde es irgendwo auf dem Schirm registriert werden, ohne dass man feststellen kann, ob es rechts oder links am Draht vorbeigelaufen ist (quantenmechanische Unschärfe). Erst mit einigen 100 bis 1000 Photonen zeigt sich das beschriebene Interferenzbild, das durch eine gemeinsame Welle beschrieben wird.
Wir stellen also fest : In der Quantenmechanik gilt ganz grob: Eine Welle entspricht vielen Korpuskeln, einem Korpuskel eine Vielzahl von Wellen. Eine genauere Kenntnis ist uns versagt.
7. Enttäuschung
29.07.2007, Dr. Tobias Braun, HannoverEin Experiment zur Veranschaulichung von Effekten der Quantenphysik welches gleichermaßen, und vor allem verständlicher, durch die Wellentheorie erklärt werden kann, dient in meinen Augen weder dem Verständnis Quantenphysik, noch hebt es die Abgrenzung der Quantenphysik von der klassischen Physik hervor.
Unter solchen Umständen wirken die gegebenen Erklärungen zu den einzelnen Teilexperimenten wie phantastisches Geschwätz.
Aus meiner Sicht wäre es deutlich besser, wenn auch bei einem Anschauungsexperiment der Maßstab der Wissenschaftlichkeit angelegt werden würde. Die Abgrenzung der Quantenphysik zur klassischen Physik sollte eindeutig zu Tage treten. Hier liegt meines Erachtens die größte Bedeutung eines Anschauungsexperiments zum Verständnis von Quanteneffekten.