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Mikrokosmos

Reisen Quanten manchmal rückwärts?

Heisenbergs Unschärferelation hat möglicherweise eine bisher kaum beachtete Folge: Teilchen könnten manchmal im Flug hinter ihren Ausgangspunkt zurückspringen.
Quantenwelt

Im Straßenverkehr kann man sich das Phänomen wahrlich nur schwer vorstellen. Wenn ein Auto einmal in eine Richtung rast, wird es nie und nimmer plötzlich einige Meter zurückhüpfen. Im Mikrokosmos ist dieses Verhalten hingegen nicht ausgeschlossen. Und möglicherweise kommt es sogar häufiger vor, als Wissenschaftler bislang dachten. Darauf deutet zumindest eine Forschungsarbeit im Fachmagazin "Physical Review A" hin.

Darin untersucht Daniela Cadamuro von der Technischen Universität München gemeinsam mit zwei Kollegen den "quantum backflow effect". Er ist eine kaum bekannte Folge der heisenbergschen Unschärferelation. Ihr zufolge kann ein Experimentator Ort und Bewegungsrichtung eines Teilchens nicht gleichzeitig präzise bestimmen. Misst er eine der beiden Größen, wird die andere unscharf, sie kann also eine Vielzahl von Messwerten annehmen.

Bereits 1969 umriss ein britischer Physiker die bizarren Folgen für ein Teilchen, das mit einer vorgegebenen, nichtrelativistischen Geschwindigkeit in eine Richtung fliegt: Da sein Aufenthaltsort nicht genau definiert ist, kann dieser im Prinzip auch hinter dem Startpunkt liegen. Kurioserweise zeigen die Gleichungen der Quantenphysik für diesen eindimensionalen Spezialfall, dass die Wahrscheinlichkeit für solch einen Sprung kurz nach dem Start sogar anwächst.

Theoretische Überlegungen ergaben allerdings auch, dass die Wahrscheinlichkeit dafür sehr klein ist. Tatsächlich ist das Phänomen bisher nicht im Experiment beobachtet worden. Und es ist unklar, ob dies in Zukunft gelingen wird. Aber zumindest auf dem Papier versuchen theoretische Physiker, die Grenzen der Quantenphysik auszuloten.

Cadamuro und ihre Kollegen wollten etwa herausfinden, ob der Backflow-Effekt auch dann Bestand hat, wenn eine Kraft auf das fliegende Teilchen wirkt, also wenn es beispielsweise kontinuierlich angeschubst wird. Die Antwort der Physiker: Auch in diesem Fall kann ein Quant plötzlich zurückspringen. Damit dürfte sich die Wahrscheinlichkeit erhöht haben, das skurrile Phänomen irgendwann im Labor beobachten zu können, wo Teilchen ständig von ihrer Umgebung beeinflusst werden.

29/2017

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 29/2017

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