An den Grenzen der Quantenmechanik

News: An den Grenzen der Quantenmechanik

Die seltsamen Effekte der Quantenmechanik spielen in unserem Alltag keine Rolle - so scheint es. Denn von gewohnten Gegenständen lassen sich leicht Ort und Impuls gleichzeitig bestimmen, ohne dass im Rahmen unserer Messgenauigkeit eine Unschärfe zu erkennen wäre. Aber heißt das auch, dass sie in der makroskopischen Welt gar nicht existiert, wie einige Physiker vermuten, oder reicht unsere Messgenauigkeit einfach nicht aus, um Heisenbergs Relation auch hier zu überprüfen? Immerhin konnten Physiker nun quantenmechanisches Verhalten an Fullerenen aus 70 Kohlenstoffatomen nachweisen und damit die Grenzen der Quantenmechanik wieder ein Stückchen weiter stecken.

Thorsten Krome

Elementarteilchen gehorchen den Gesetzen der Quantenmechanik. Von Elektronen, Neutronen und Protonen lassen sich demnach nicht Ort und Impuls gleichzeitig bestimmen. Beziehungsweise je genauer sich die eine Größe festlegen lässt, umso ungenauer ist die andere definiert. Werner Heisenberg formulierte im Jahr 1927 erstmals diese nach ihm benannte Unbestimmtheitsrelation. Werden die untersuchten Objekte größer, so wird es jedoch immer schwieriger, den Effekt nachzuweisen. Daher vermuten manche Physiker, dass das Prinzip für die makroskopische Welt, in der wir uns bewegen, gar nicht mehr gilt. Andere meinen wiederum, dass es sehr wohl noch gilt, und es nur eines geeigneten Experiments bedarf, die Heisenbergsche Unschärferelation auch im Großen nachzuweisen.

Anton Zeilinger und seine Kollegen an der Universität Wien sind offenbar auf dem besten Weg dahin, denn sie konnten die bekannte Relation in einem Experiment an dem bislang schwersten Objekt nachweisen – einem C₇₀-Fulleren. Dazu erzeugten die Physiker einen Strahl aus Fullerenen und leiteten ihn durch zwei Spaltblenden. Dabei war der erste Spalt fest auf zehn Mikrometer Weite fixiert und fokussierte so einen etwas schmaleren Strahl auf die zweite Öffnung. Diese zweite Spaltbreite variierten die Forscher im Laufe des Experiments zwischen 70 Nanometern und 20 Mikrometern und legten damit die Orts-Unschärfe der Fullerene fest. Schließlich konnten sie mit einem Laserdetektor das Beugungsmuster hinter dem Spalt erfassen und daraus die Impuls-Unschärfe bestimmen.

Zu beobachten war nun zunächst ein klassisches Verhalten, denn je kleiner die Spaltöffnung wurde, um so schmaler war der Fullerenstrahl, als er die Detektorebene passierte. Unterhalb einer Spaltbreite von 1,4 Mikrometern machte sich jedoch die Quantenmechanik bemerkbar, denn nun wuchs der Durchmesser des Strahls wieder rapide – korrespondierend zu einer entsprechend großen Unschärfe des Impulses. Zeilinger und seine Kollegen verglichen ihre experimentellen Daten mit quantenmechanischen Vorhersagen und fanden eine gute Übereinstimmung.

Wenn auch ein C₇₀-Fulleren das größte Objekt ist, an dem offensichtlich die Heisenbergsche Unschärferelation nachgewiesen wurde, so ist es doch immer noch äußerst klein im Vergleich zu allem, was wir aus unserer Umwelt kennen – seine Größe liegt im Nanometerbereich. Deshalb lässt sich auch jetzt noch nicht mit Bestimmtheit sagen, ob nicht doch eine Grenze existiert, ab der die Relation nicht mehr gilt.