saturday morning physics - iap.tu-darmstadt.de · saturday morning physics die seltsame welt der...

Saturday Morning Physics

Die seltsame Welt der Quanten –Wie spielt Gott sein Würfelspiel?

12. 11. 2005

Gernot Alber und Gerhard BirklInstitut für Angewandte Physik

Technische Universität Darmstadt

gernot.alber@physik.tu-darmstadt.degerhard.birkl@physik.tu-darmstadt.de

Auf dem Weg zur Welt der Atome und Photonen

Unsere Erfahrungswelt ist großteils bestimmt durch Atome.

Photonen erlauben uns den Informations-austausch mit der Quantenwelt.

• Quantisierung physikalischer Größen

Charakteristische Quantenphänomene

• Quanteninterferenz und Materiewellen

• Zufall ist irreduzibel

Übersicht - Die seltame Welt der Quanten

• Quantisierung physikalischer Größen

Charakteristische Quantenphänomene

• Quanteninterferenz und Materiewellen

• Zufall ist irreduzibel

Übersicht - Die seltame Welt der Quanten

Der Weg zur Quantisierung

Die Spektroskopie liefert uns Informationen über den Aufbau der Atome.

Spektrum einer Glühlampe

Das Spektrum einer thermischen Lichtquelle (Glüh-lampe, Schwarzer Körper) ist kontinuierlich.

Spektrum des Sonnenlichtes

Joseph von Fraunhofer

erkannte, dass im Sonnen-

spektrum dunkle Linien sind.

Spektrum des Sonnenlichtes

Kaltes Gas auf der Sonnenoberfläche oder zwischen Sonne und Erde absorbiert Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen.

Spektrum des Sonnenlichtes

Die Absorptionswellenlängen sind diskret und charakteristisch für die chemischen Elemente.

Emissionsspektren von chemischen Elementen

Bei Erhitzen emittieren chemische Elemente Licht.

Emissionsspektren von chemischen Elementen

Jedes chemische Element zeigt spezifische diskrete Absorptions- und Emissionswellenlängen.

Balmer-Formel für Wasserstoffspektrum

λ = hm2/(m2-n2)m,n: ganze Zahlen

Johann Balmer(1825 - 1898)

Atome besitzen diskrete Energieniveaus

Erklärung:

Atome besitzen diskrete Energie-niveaus.

Absorption und Emission führen zum Übergang zwischen diskreten Energieniveaus.

Atome besitzen diskrete Energieniveaus

Jedes Energieniveau entspricht einer bestimmten Form der Verteilung der Elektronenwolke um den Atomkern.

Absorption und Emission ändern Elektronenverteilung.

Erwin Schrödinger(1887 - 1961)

Niels Bohr(1885 - 1962)

Atome besitzen diskrete Energieniveaus

Jedes Energieniveau entspricht einer bestimmten Form der Verteilung der Elektronenwolke um den Atomkern.

Absorption und Emission ändern Elektronenverteilung.

• Quantisierung physikalischer Größen

Charakteristische Quantenphänomene

• Quanteninterferenz und Materiewellen

• Zufall ist irreduzibel

Übersicht - Die seltame Welt der Quanten

Materie hat Teilchencharakter

In der klassischen Physik besitzt Materie reine Teilcheneigenschaften.

Beispiel: Kochsalz

Welleneigenschaften von Licht

Interferenz am Doppelspalt:Interferenzexperiment beweist Wellencharakter

Materiewellen

Kann Materie auch Wellencharakter haben?UND: Was sind Materiewellen

Louis de Broglie(1892 - 1987)

Was sind Materiewellen ?

Welle-Teilchen-DualismusWir detektieren Teilchen, aber sieverhalten sich wie Wellen

Quantenphysik

Klassische Physik

Elektronenbeugung an Graphit

Graphit

Welleneigenschaften von Materie

Interferenz von Elektronenwellen am Graphitkristall

Welleneigenschaften von Materie

Interferenz von Elektronenwellen am Graphitkristall

Welleneigenschaften von Materie

Interferenz von Elektronenwellen am GraphitkristallMaterie zeigt auch Welleneigenschaften !!

Welleneigenschaften von Materie

Interferenz von Elektronenwellen am GraphitkristallMaterie zeigt auch Welleneigenschaften !!

Welleneigenschaften von Materie

Interferenz von Elektronenwellen am GraphitkristallMaterie zeigt auch Welleneigenschaften !!

Was sind Materiewellen ?

Welle-Teilchen-DualismusWir detektieren Teilchen, aber sieverhalten sich wie Wellen

Quantenphysik

Klassische Physik

Sichtbarmachung von Welleneigenschaften

Wellenausbreitung

Licht

Schall

Wellenlänge von Materiewellen

Experimente erfordern große Wellenlängen� Kühlen

von Atomen

Ludwig Boltzmann(1844 - 1906)

Materiewellen

ThermischeEnergie

KinetischeEnergie

Raumtemperatur

Materiewellen mit großer Wellenlänge

Experimente erfordern große Wellenlängen� Wir nehmen die kälteste bisher erzeugte Materie

Bose-Einstein-Kondensat

Lowest Manmade Temperature

The lowest manmade temperatureachieved so far is 450 picokelvin. It was achieved by a team of scientists... and W. Ketterle. ... At such lowtemperatures, matter takes on a newstate called a Bose-Einstein condensate

Bose-Einstein-Kondensation CarlWieman

EricCornell

WolfgangKetterle

Bose-Einstein-Kondensation

BEC phase transition

50 µm

Doppelspaltversuch mit Bose-Einstein-Kondensat

Durch einen zusätz-lichen abstoßenden Laserstrahl können aus einem BEC zwei gemacht werden.

Interference patternInterferenz von zwei Bose-Einstein-Kondensaten

moderne Quantentheorie (1925)Heisenberg, Schrödinger, Dirac

weder Teilchen noch Wellen sondern Quanten

� Wahrscheinlichkeiten wie Intensitäten von Wellen

• Quantisierung physikalischer Größen

technologische AnwendungenQuantenkryptografie und Quantencomputer

Charakteristische Quantenphänomene

• Quanteninterferenz

• Zufall ist irreduzibel

• Quantisierung physikalischer Größen

Charakteristische Quantenphänomene

• Quanteninterferenz und Materiewellen

• Zufall ist irreduzibel

Übersicht - Die seltame Welt der Quanten

Gott würfelt nicht! Wollen sie Gott etwa vor-schreiben, was er zu tun hat?

Die Einstein-Bohr Debatte und der Quantenzufall

magnetisches Moment des Elektrons (Spin) im Magnetfeld

Experiment von Stern und Gerlach (Frankfurt,1928)

Seltsamer Quantenzufall

Otto Stern

Ein Spin-1/2 Quant im Stern-Gerlach Experiment

Spin in Richtung des Magnetfeldes – 2 Werte (Quantisierung)

P+ = 1

P_ = 0

Messung bestätigt den Zustand

Verallgemeinertes Stern-Gerlach Experiment

Messungen können einen Quantenzustand ändern !

P+ = 1/2

P_ = 1/2

Anwendungen?

(ähnlich wie bei Polarisationsmessungen an einzelnen Photonen)

Die erste quantenmechanisch verschlüsselte BanküberweisungWien, 21. April 2004, Anton Zeilingers Gruppe

Quantenkryptografie

Zusammenfassung - Ausblick

Charakteristische QuantenphänomeneQuantisierung - Quanteninterferenz - irreduzibler Zufall

Widerspruch mit Grundkonzepten der klassischen Physik

Experimentelle Kontrolle von Quantensystemen ���� Quantentechnologie• Quantenkryptografie • Quantencomputer

Die seltsame Welt der Quanten –Wie spielt Gott sein Würfelspiel?