Quantenphysik häppchenweise
Wenn zu Beginn der Autor und sein Freund, der Philosophiedozent Jean- Paul Fragnière, die im Collège Saint-Michel in Fribourg (Schweiz) in den Hörsaal strömenden Studenten begrüßen, könnte man glauben, man sei in einem belletristischen Buch gelandet. Aber das gibt sich schnell: Plötzlich befindet man sich mitten in einer Vorlesung über Quantenphysik.
Auf dem Lehrplan steht zunächst Interferometrie. Ein Licht- oder Partikelstrahl wird mit Hilfe von Strahlteilern auf verschiedene optische Wege geleitet, die sich am Ende wieder vereinen. Das Experiment bringt unter bestimmten Bedingungen absolut unerklärliche Ergebnisse hervor: Wenn ein Teilchen zwei verschiedene Wege zu einem Detektor zur Verfügung hat und nicht messbar ist, welchen es nimmt, ist sein Verhalten von dem Längenunterschied der beiden Wege bestimmt. Es sieht so aus, als würde jedes einzelne Partikel alle möglichen Alternativen erkunden.
Diese so genannte Ein-Teilchen-Interferenz ist nur der Einstieg in die Quantenwelt, deren abstruse Regeln sich so überhaupt nicht mit unserer Intuition decken. In einem System aus zwei Teilchen scheint das Verhalten der beiden auf seltsame Weise korreliert – und das unabhängig von ihrer Entfernung ("Quantenverschränkung"). Die Interpretation dieses Experiments war heftig umstritten. Neben zahlreichen anderen Skeptikern war auch Albert Einstein eher bereit, an die Unvollkommenheit der Theorie zu glauben als an eine "spukhafte Fernwirkung".
Valerio Scarani ordnet die von ihm vorgestellten Phänomene in den historischen Kontext ein und widmet sich auch aktuellen Experimenten und Entwicklungen. Darüber hinaus präsentiert er dem Leser potenzielle Anwendungen wie die Quantenkryptografie, mit der Nachrichten dank der seltsamen Gesetze abhörsicher übertragen werden können, oder die Quantenteleportation. Hier verschwinden die Eigenschaften eines Teilchens an einem Ort und tauchen an einem anderen wieder auf. Aber so wunderlich die Quantenphysik auch ist – die Teleportation von Materie lässt selbst sie nicht zu.
Überhaupt sind Wissenschaftler heutzutage findig darin, sich die eigenwillige Physik der Quanten zu Nutze zu machen, doch über deren Interpretation herrscht nach wie vor große Uneinigkeit. Wie passen derartige Phänomene in unsere vom Alltag geformte Sicht der Natur? Diese Frage kann auch der Autor nicht beantworten, es bleibt ihm nur, aus einem riesigen Repertoire mehrere Vorschläge vorzustellen und den Leser auf die – reichlich zitierte – weiterführende Literatur zu verweisen.
Scarani ist Professor an der National University of Singapore und erforscht gemeinsam mit seinen Kollegen den möglichen Einsatz der Quantenphysik in der Informationsverarbeitung. Da wäre es ihm sicher ein Leichtes, dem Leser den komplizierten mathematischen Formalismus darzulegen. Aber er verschont uns und bringt stattdessen klare Grafiken und eingängige Beispiele.
Zum Verständnis sind keine außerordentlichen Physikkenntnisse erforderlich, wohl aber passagenweise Konzentration und Geduld. Dies triff t vor allem auf die Erläuterung der bellschen Ungleichung zu – ein mathematisches Theorem, mit Hilfe dessen experimentell nachgewiesen werden kann, dass Quantenverschränkungen nicht an der Quelle erzeugt werden, dass die beiden Teilchen sich also nicht deshalb korre liert verhalten, weil ihnen die später gemessenen Eigenschaften schon bei ihrer Erzeugung mitgegeben wurden. Allerdings serviert der Autor leserfreundlich gleich vorab die Kernaussage und überlässt es jedem selbst, sich dieses schwierigen Kapitels anzunehmen.
"Physik in Quanten" ist kein Buch, das lediglich die skurrilen und sensationellen Aspekte der Quantenphysik aufzeigt. Auf nur 115 Seiten gelingt es Scarani, das Wesentliche darzustellen – selbst wenn in diesem Umfang, wie er immer wieder betont, nur ein winziger Ausschnitt dieses weiten Felds behandelt werden kann.
Auf dem Lehrplan steht zunächst Interferometrie. Ein Licht- oder Partikelstrahl wird mit Hilfe von Strahlteilern auf verschiedene optische Wege geleitet, die sich am Ende wieder vereinen. Das Experiment bringt unter bestimmten Bedingungen absolut unerklärliche Ergebnisse hervor: Wenn ein Teilchen zwei verschiedene Wege zu einem Detektor zur Verfügung hat und nicht messbar ist, welchen es nimmt, ist sein Verhalten von dem Längenunterschied der beiden Wege bestimmt. Es sieht so aus, als würde jedes einzelne Partikel alle möglichen Alternativen erkunden.
Diese so genannte Ein-Teilchen-Interferenz ist nur der Einstieg in die Quantenwelt, deren abstruse Regeln sich so überhaupt nicht mit unserer Intuition decken. In einem System aus zwei Teilchen scheint das Verhalten der beiden auf seltsame Weise korreliert – und das unabhängig von ihrer Entfernung ("Quantenverschränkung"). Die Interpretation dieses Experiments war heftig umstritten. Neben zahlreichen anderen Skeptikern war auch Albert Einstein eher bereit, an die Unvollkommenheit der Theorie zu glauben als an eine "spukhafte Fernwirkung".
Valerio Scarani ordnet die von ihm vorgestellten Phänomene in den historischen Kontext ein und widmet sich auch aktuellen Experimenten und Entwicklungen. Darüber hinaus präsentiert er dem Leser potenzielle Anwendungen wie die Quantenkryptografie, mit der Nachrichten dank der seltsamen Gesetze abhörsicher übertragen werden können, oder die Quantenteleportation. Hier verschwinden die Eigenschaften eines Teilchens an einem Ort und tauchen an einem anderen wieder auf. Aber so wunderlich die Quantenphysik auch ist – die Teleportation von Materie lässt selbst sie nicht zu.
Überhaupt sind Wissenschaftler heutzutage findig darin, sich die eigenwillige Physik der Quanten zu Nutze zu machen, doch über deren Interpretation herrscht nach wie vor große Uneinigkeit. Wie passen derartige Phänomene in unsere vom Alltag geformte Sicht der Natur? Diese Frage kann auch der Autor nicht beantworten, es bleibt ihm nur, aus einem riesigen Repertoire mehrere Vorschläge vorzustellen und den Leser auf die – reichlich zitierte – weiterführende Literatur zu verweisen.
Scarani ist Professor an der National University of Singapore und erforscht gemeinsam mit seinen Kollegen den möglichen Einsatz der Quantenphysik in der Informationsverarbeitung. Da wäre es ihm sicher ein Leichtes, dem Leser den komplizierten mathematischen Formalismus darzulegen. Aber er verschont uns und bringt stattdessen klare Grafiken und eingängige Beispiele.
Zum Verständnis sind keine außerordentlichen Physikkenntnisse erforderlich, wohl aber passagenweise Konzentration und Geduld. Dies triff t vor allem auf die Erläuterung der bellschen Ungleichung zu – ein mathematisches Theorem, mit Hilfe dessen experimentell nachgewiesen werden kann, dass Quantenverschränkungen nicht an der Quelle erzeugt werden, dass die beiden Teilchen sich also nicht deshalb korre liert verhalten, weil ihnen die später gemessenen Eigenschaften schon bei ihrer Erzeugung mitgegeben wurden. Allerdings serviert der Autor leserfreundlich gleich vorab die Kernaussage und überlässt es jedem selbst, sich dieses schwierigen Kapitels anzunehmen.
"Physik in Quanten" ist kein Buch, das lediglich die skurrilen und sensationellen Aspekte der Quantenphysik aufzeigt. Auf nur 115 Seiten gelingt es Scarani, das Wesentliche darzustellen – selbst wenn in diesem Umfang, wie er immer wieder betont, nur ein winziger Ausschnitt dieses weiten Felds behandelt werden kann.
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