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Makro-Quantenphysik: Schrödingers Katze auf dem Prüfstand

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

"Lieber Schrödinger, Du bist faktisch der einzige Mensch mit dem ich mich wirklich gern auseinandersetze …" So schreibt Albert Einstein im April 1935 aus Kalifornien an seinen Freund Erwin Schrödinger nach Oxford, wo der Wiener Theoretiker damals am Magdalen College arbeitete. Mit diesem Brief beginnt zwischen den beiden großen Geistern eine Grundsatzdiskussion über die Interpretation der Quantenphysik, die bis heute unter Forschern andauert: Was sagt die quantenmechanische Wellenfunktion über die physikalische Welt aus?

Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger (1887 – 1961) hatte die Wellenfunktion 1926 als eine zentrale mathematische Größe der Quantentheorie eingeführt. Zusammen mit der so genannten Schrödinger-Gleichung lassen sich daraus Wahrscheinlichkeiten für die Ergebnisse zukünftiger Messungen an einem physikalischen System berechnen. Aber heißt das gleichzeitig, dass die Wellenfunktion deshalb etwas in der Welt real Existierendes beschreibt? Oder ist sie schlicht ein mathematisches Hilfsmittel ohne Bezug zur Realität, ein "Katalog von Erwartungswerten" (Schrödinger) zur Berechnung des möglichen Ausgangs zukünftiger Messungen? …



Die Quanteninterferenz komplexer Moleküle am Gitter demonstrierten Markus Arndt und seine Kollegen an der Universität Wien in den Laboren von Anton Zeilinger vor 13 Jahren zum ersten Mal. Mit einer rund 1000-mal empfindlicheren Detektoranordnung schritten kürzlich Thomas Juffmann und seine Kollegen in der Gruppe von Markus Arndt auf diesem Weg weiter voran: Die Forscher filmten den Wellen-Teilchen-Dualismus direkt mit einer CCD-Kamera, indem sie verfolgten, wie quantenmechanische Interferenzmuster sich aus einzelnen Farbstoffteilchen in Echtzeit aufbauen. Der Film macht beide Aspekte der Welt sichtbar: einerseits die Teilchennatur jedes einzeln fluoreszierenden Moleküls, womit man meint, dass jedes Molekül sehr präzise – hier auf bis zu zehn Nanometer genau – auf dem Detektorschirm lokalisierbar ist; andererseits seine quantenmechanische Wellennatur, die benötigt wird, um zu erklären, wie sich alle weit voneinander entfernten Teilchen wie von Geisterhand gelenktzu einem Streifenmuster arrangieren.

Oktober 2012

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft Oktober 2012

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  • Quellen

Chan, J. et al.: Laser Cooling of a Nanomechanical Oscillator into its Quantum Ground State. In: Nature 478, S. 89– 92, 2011

Hornberger, K. et al.: Colloquium: Quantum Interference of Clusters and Molecules. In: Reviews of Modern Physics 84, S. 157 – 173, 2012

Juffmann, T. et al.: Real-Time Single-Molecule Imaging of Quantum Interference. In: Nature Nanotechnology 7, S. 297 – 300, 2012

Pikovski, I. et al.: Probing Planck-Scale Physics with Quantum Optics. In: Nature Physics 8, S. 393 – 397, 2012

Zeilinger, A.: Einsteins Schleier. Die neue Welt der Quantenphysik. C.H.Beck, München, 8. Auflage 2005