Direkt zum Inhalt

Quantenphysik: Eins... zwei... viele...

Drei gleichartige Teilchen können eine Einheit bilden, selbst wenn sich jeweils zwei davon gegenseitig abstoßen. Ein Forscherteam aus Österreich und den Vereinigten Staaten konnte nun erstmals ein solches System beobachten.
Die Quantenmechanik hatte lange Zeit vehemente Gegner. Selbst Einstein, der durch seine Arbeiten diesen neuen Zweig der Physik aufs Höchste befruchtete, konnte sich mit vielen Vorhersagen der Theorie nicht anfreunden. Sein berühmter Ausspruch: Er – Gott – würfele nicht, ist ein stichhaltiger Beleg dafür. Einstein konnte einfach nicht glauben, dass seine geliebte, von Berechenbarkeit geprägte Naturwissenschaft auf einmal mit ihren Beobachtern spielen sollte.

Beispielsweise verrät ein quantenmechanisches Objekt durch nichts, ob es sich nun hier oder dort aufhält. Das zumindest entspricht der Kopenhagener Interpretation, die Niels Bohr und Werner Heisenberg um das Jahr 1927 ersonnen haben. Alles sei eine Frage der Wahrscheinlichkeit. Ähnliches gilt für Schrödingers berühmte Katze: Sie ist gleichzeitig tot und lebendig. Das war selbst Einstein zu viel, dem man in anderen Dingen sicherlich keine Engstirnigkeit vorwerfen konnte. Er glaubte zeitlebens an verborgene Variablen, die – einmal entdeckt – schon alles wieder ins rechte Lot und den Determinismus in die Physik zurück bringen werden.

Einstein hoffte vergeblich. Und im Jahr 1964 – einige Jahre nach seinem Tod – zeigte der irische Physiker John Stewart Bell: Verborgene Variablen gibt es nicht! Dabei hätte sich Einstein über die Unzulänglichkeiten der Quantenmechanik gar nicht so ereifern müssen. Schließlich bietet selbst die klassische Naturbeschreibung in vielen Fällen keine exakten Lösungen an. So ist seit Johannes Kepler und Nikolaus Kopernikus bekannt, dass sich die anziehende Wirkung dreier oder mehrerer Massen nicht mit einfachen Formeln lösen lässt. An dem Dreikörperproblem haben sich so bekannte Mathematiker wie Leonhard Euler, Joseph-Louis Lagrange oder Henri Poincaré die Zähne ausgebissen. Bis heute löst man derartig komplexe Systeme am besten mit Simulationen auf Computern.

Doch auch hier tanzt die Quantenmechanik wieder einmal aus der Reihe – diesmal aber genau anders herum: Der russische Kernphysiker Vitaly Efimov, der derzeit an der Universität von Washington in Seattle lehrt, konnte bereits im Jahr 1970 zeigen, dass ein quantenmechanisches System aus drei – Bosonen genannten – Teilchen nicht nur exakt berechenbar und stabil ist, sondern dass es zugleich unendlich viele Energieniveaus annehmen kann, selbst wenn zwei Teilchen der gleichen Sorte niemals einen gemeinsamen Pakt eingehen würden. Repulsiv gebundene Paare sagen die Experten dazu. Um sich eine Vorstellung dieses sonderbaren Sachverhalts zu machen, bemühen die Wissenschaftler gern das Bild von so genannten borromäischen Ringen, die so miteinander verschlungen sind, dass alle auseinander fielen, falls man auch nur einen einzigen Ring öffnete.

Alle Versuche, diese abstrus klingende mathematisch Vorhersage zu widerlegen, scheiterten. Im Gegenteil: Sie kamen jeweils zum gleichen Ergebnis. Nichtsdestoweniger war ein solcher Zustand bislang noch nie beobachtet worden, obwohl sich Helium-Atome zu solchen Trios zusammenfinden sollten. Daher gingen viele Wissenschaftler davon aus, dass es sich mit den gebundenen Efimov-Zuständen wie mit den Tachyonen aus der Elementarteilchenphysik verhält: Die Mathematik lässt sie zwar zu, aber in der Realität existieren sie nicht.

"Fantastisch: Die von uns im Labor untersuchten Phänomene könnten sogar Aussagen über Prozesse in Neutronensternen erlauben!"
(Rudi Grimm)
Doch nun sind Hanns-Christoph Nägerl und Rudi Grimm von der Universität Innsbruck sowie Brett Esry von der Kansas-State-Universität nach eigenen Angaben fündig geworden. Sie fingen ultrakalte Cäsium-Atome, die sie zum Teil auf Temperaturen von wenigen Milliardstel Kelvin über den absoluten Nullpunkt abkühlten, in einem Geflecht aus Potenzialtöpfen ein, das sie mit Hilfe gekreuzter Laserstrahlen bildeten. Unter Potenzialtöpfen verstehen Physiker elektromagnetische Mulden, aus denen Teilchen nur mit einiger Mühe entweichen können. Häufig wird es auch als optisches Gitter bezeichnet. Durch Variation der Tiefe der Potenzialtöpfe sowie durch Anlegen eines Magnetfeldes konnten die Experimentatoren nun den mittleren Abstand und damit die Kräfte, die zwischen den Cäsium-Atomen wirken, nahezu beliebig ändern: Mal ließen sie ihnen viel Freiraum, mal pferchten sie sie auf engstem Raum zusammen.

Nach der Vorhersage von Efimov müsste es nun bei bestimmten Kombinationen des Magnetfeldes und der Welligkeit dieses optischen Gitters zu messbaren Resonanzen kommen. Und genau diese fand die österreichisch-amerikanische Arbeitsgruppe. "Das ist das erste Mal, dass so etwas im Labor nachgewiesen werden konnte", behauptet Grimm mit ein wenig Stolz in seiner Stimme. "Wir verdanken diese Erkenntnis der Tatsache, dass wir heute kaum ein anderes System genauer kontrollieren und deren Parameter gezielter verändern können als das der ultrakalten quantenmechanischen Systeme."

Zwar sei das alles noch sehr akademisch, gibt er ungeniert zu. Doch kann er sich vorstellen, dass diese Versuche durchaus wichtig sein könnten für das Verständnis kernphysikalischer Systeme oder – denkt man an die drei Quarks, die ein Proton oder Neutron bilden – sogar für die Elementarteilchenphysik. "Das Fantastische ist, dass die Phänomene, die wir bei uns im Labor untersuchen, uns eventuell sogar Aussagen erlauben über Prozesse, die in Neutronensternen ablaufen", meint der Wissenschaftler. "Die Physik ist jedesmal genau die Gleiche."

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

Partnerinhalte