Quantenmechanische Objekte benehmen sich ja bekanntlich seltsam: Schickt man ein Elektron, das ja ein einzelnen Teilchen ist, durch einen Doppelspalt, dann sieht man hinter dem Spalt ein Seltsames Muster aus hellen und dunklen Streifen. Dieses Muster kommt dadurch zu Stande, dass das Elektron zwei Möglichkeiten hat, durch den Doppelspalt zu gehen: oben und unten:

So etwa sieht das aus:

(Bild gemeinfrei, modifiziert von Wikipedia.)

Man kann das Phänomen – je nachdem, welche Beschreibungsart der Quantenmechanik man wählt – unterschiedlich erklären, aber in irgendeiner Weise geht das Elektron durch beide Spalte zugleich und kann deshalb mit sich selbst wechselwirken. (Ausführlich habe ich das Experiment hier erklärt.)

Wiederholt man das gleiche Experiment mit “gewöhnlichen” Teilchen (also beispielsweise kleinen Kugeln), dann ergibt sich natürlich ein anderes Bild: Es gibt zwei Maxima der Verteilung, eins hinter jedem Spalt.  In unserem Alltag gilt nun mal die klassische Physik, und solche seltsamen Phänomene beobachten wir nicht.

Aber wo ist der Übergang zwischen der Quantenmechanik und der klassischen Physik? Wie groß kann man ein System machen und immer noch Quanteneffekte beobachten? Diese Frage hat ja schon Schrödinger mit seinem berühmten Katzenexperiment (dieses Bild kann ich aus Copyright-Gründen nicht einfügen) gestellt: Könnte selbst ein makroskopisches Objekt wie eine Katze in einem quantenmechanischen Überlagerungszustand sein und damit gleichzeitig tot und lebendig? Da wir das noch nie beobachtet haben, scheint irgend etwas das zu verhindern. Ist das nur unsere Wahrnehmung (wie zum Beispiel in der Viele-Welten-Theorie, wo alle Überlagerungen existieren, wir sie aber nie gleichzeitig wahrnehmen können), oder passiert tatsächlich etwas physikalisch Neues, wenn Quantensysteme sehr groß werden?

Um das zu untersuchen, versucht man, Quanteneffekte an immer größeren Systemen zu beobachten.

Einem Forscherteam aus Österreich ist es jetzt gelungen, ein ähnliches Experiment wie den Doppelspalt (nämlich einen Mehrfachspalt) mit großen Molekülen aufzubauen, die aus vielen Atomen bestehen und etwa zwei Millionen mal schwerer sind als Elektronen.

Dazu haben sie Farbstoffmoleküle durch ein Gitter aus einer nur wenige Nanometer dicken Keramik geschickt, das mit Spalten im Abstand von etwa 100 Nanometer versehen war, und sie dann mit einer Kamera direkt beobachtet.

So sieht das ganze aus (aus irgendeinem Grund hat Youtube zwei Versionen des Videos, eine davon (mit der Hintergrundmusik von “Der Dritte Mann”) lässt sich nicht einbetten, deshalb nehme ich die andere, aber um eure Nerven zu schonen empfehle ich, den Ton abzuschalten (auch wenn die Musik angeblich explizit komponiert wurde, um den Welle-Teilchen-Dualismus im Ton einzufangen, für mich fällt es unter die Rubrik “Plastikgedudel” (bei 0:36))):

Ihr könnt hier direkt sehen, wie die einzelnen Moleküle an unterschiedlichen Positionen auftauchen und wie sich trotzdem am Ende ein schönes Interferenzmuster bildet.

Es ist nicht das erste mal, dass man Quanteneffekte an ganzen Molekülen gezeigt hat (es ist beispielsweise auch schon mit Fullerenen gelungen), aber ein so schönes Video dazu hat es meines Wissens bisher nicht gegeben.

Zumindest molekülgroße “Schrödinger-Katzen” sind also möglich.

                                                                                                                        

Mehr zu den Experimenten der österreichischen Gruppe findet ihr auf deren homepage.

Das aktuelle Heft von “Spektrum der Wissenschaft” enthält übrigens einen sehr ausführlichen (und guten) Artikel zum Thema “Wie groß können Quantensysteme werden”.

Kommentare (25)

  1. #1 rolak
    3. Oktober 2012

    Angenehm ruhiger post zu diesem so aufregenden Thema.

    Aaaaaber: Wie groß auch immer die Katze letzendlich werden mag – das Doppelspaltexperiment eingangs ist zum Scheitern verurteilt, ist doch die Spaltbreite deutlich unter der Ausdehnung der lustigen Kügelchen (Beweis) :p

  2. #2 MartinB
    3. Oktober 2012

    @rolak
    Damit gebührt dir die goldene Rasierklinge am Monofilament-Band für die Haarspalterei der Woche (zu studienzeiten wurden bei uns so viele Haare gespalten, dass man nur noch “Chop” sagen musste und jeder wusste Bescheid…)

    Ruhiger Post ja – war ja auch nur ein Kurzaufhänger für das schicke Video.

  3. #3 Jakob H.
    3. Oktober 2012

    Der Doppelspalt mit Farbstoffmolekülen. Da frage ich mich: Würde man den Detektor hinter dem Mehrfachspalt z.B. durch eine Leinwand ersetzen, ergäbe sich dann auf dieser ebenfalls ein Interferenzmuster?

  4. #4 MartinB
    3. Oktober 2012

    @JakobH
    Sicherlich, hier war es eine CCD-Kamera, aber bei Elektronen nimmt man einen Leuchtschirm, bei Photonen kann man auch nen klassichen Foto-Film nehmen. Womit man misst, ist egal, das System muss nur eine eindeutige klassische Messung zulassen.

  5. #5 rolak
    3. Oktober 2012

    Zuviel der Ehre – doch mir scheint es angemessen, diesen wundervollen Preis für einen Menschen aufzuheben, der dergleichen in absichtsvoller Kritik formuliert. Diese Klasse erreiche ich mit meinem durchsichtigen Scherz wohl kaum, war ja auch nur die Umsetzung eines dieser typischen Grinsegedanken, beim allerersten Erfassen des Bildes ganz oben.
    Geht tatsächlich irgendjemand bei einer Darstellung, in der Elektronen wie dicke Kleckse zu sehen sind, auch nur ansatzweise von etwas ~Maßstäblichen aus?

    Selbstverständlich gibts von diesem neben-dem-Bildinhalt-gucken-Effekt auch eine -äh- dunkle Seite (Maxtors Bildergalerie).

  6. #6 Stefan W.
    5. Oktober 2012

    Auf dem Bild, die runden Kreise sind ja nicht die Elektronen selbst, sondern die Elektronen plus ihre Aura, die sie umgibt. Das können natürlich nur Seher sehen.

  7. #7 MartinB
    5. Oktober 2012

    und als nächstes fragt einer, woraus der Schirm ist, der dünner ist als die Elektronen….

  8. #8 rolak
    5. Oktober 2012

    Aber nicht doch, MartinB, das wäre zu und zu einfach zu beantworten: Aus Scheiben von Elektronen, so wie sonst auch.

  9. #9 Niels
    7. Oktober 2012

    @rolak

    das Doppelspaltexperiment eingangs ist zum Scheitern verurteilt, ist doch die Spaltbreite deutlich unter der Ausdehnung der lustigen Kügelchen

    Ist aber doch gar kein Problem?
    Es gibt auch noch den Tunneleffekt. Dann muss man auf das Interferenzmuster einfach ein bisschen länger warten.

  10. #10 rolak
    7. Oktober 2012

    topped, respect!

    {Das mit dem Warten fällt kaum auf, es müssen doch andauernd die die Spalte wegen der festklemmenden Elektronen freigepolkt werden…}

  11. #11 Marel
    9. Oktober 2012

    “Was sieht Schrödingers Katze?”
    Bezüglich meiner Vermutung dazu hast Du mir zwei Fragen gestellt, nämlich die Frage nach der Konsistenz dieser Sichtweise und wie sich das Ganze für das ERP – Experiment darstellt. Ich habe mir das jetzt angesehen und es passt auch ganz gut zu Deinem Beitrag.

    Die Frage nach der Konsistenz kann man mit einem klaren “Jein” beantworten.

    Zunächst noch mal meine Vermutung: Da für die Katze die gleichen Naturgesetze gelten wie für alle anderen und da die Informations- und Wechselwirkungsbarriere zweiseitig ist, muss sie der Auffassung sein, bei ihr ginge es klassisch – physikalisch zu und sie wird, nachdem wieder Kontakt zur Außenwelt hergestellt ist, zu dem Schluss kommen, die Außenwelt habe sich in einem Zustand der Superposition befunden. Nun kann man zwar kein Experiment tatsächlich durchführen, das uns die Sichtweise der Katze zeigt, aber man kann untersuchen, ob es von ihrer Perspektive aus zu einer Verletzung der Bell’schen Ungleichung kommen kann. Das habe ich für das ERP Experiment getan.

    Der Experimentaufbau besteht aus einer Quelle (Q wie Quasimodo), die verschränkte Photonenpaare erzeugt, und zwei Messstationen (A:Alice und B:Bob) im gleichen Abstand von der Quelle. Dort wird die Polarisation jedes Photons an einem polarisierenden Strahlenteiler gemessen, sie kann vertikal (v) oder horizontal (h) sein. Die Messung der Polarisation wird entlang verschiedener Richtungen X, Y und Z durchgeführt, was mittels “Vorschaltung” einer Halbwellenplatte, deren Orientierung sich ändern kann, erreicht wird.

    Bei gleicher Orientierung von A und B (X:X, Y:Y, Z:Z) erscheinen die beiden Photonen streng korreliert, dreht man die Polarisation bei einer der Versuchsanordnungen (z. B. X:Y) ist das nicht mehr so. Aber das Ergebnis einer Messreihe widerspricht dann der einfachen Annahme, dass das Photonenpaar bei seiner Erzeugung die Merkmalsausprägungen (h,v) bezüglich der Merkmale X,Y,Z mitbekommt und nicht mehr ändert. Wäre es so, müssten die Messresultate die Bell’sche Ungleichung erfüllen, aber das tun sie nicht.

    Eine Sichtweise ist, dass das Photonenpaar als Superposition aller möglichen Zustände (es sind acht) abgeschickt wird und erst im Augenblick der Messung der tatsächliche Zustand des Paares real wird, beeinflusst dadurch, was gemessen wird. Bob und Alice können unter diesen Umständen eine Verletzung der Bell’schen Ungleichung feststellen.

    Wie sieht Quasimodo die ganze Sache? Er ist seiner Meinung nach in einer klassisch-physikalischen Welt und schickt daher Photonenzwillinge zu den Messstationen, deren Merkmalsausprägungen h oder v bezüglich X, Y und Z so festgelegt sind wie z. B. die Augenfarbe von Zwillingen. Für ihn befinden sich allerdings die Messstationen in einer Superposition aller möglichen Zustände (drei Orientierungen pro Messstation, gibt neun mögliche Zustände). Welches Photonenpaar abgeschickt wird, beeinflusst, welche Orientierungskombination bei den beiden Stationen real wird. Kann Quasi aus einer Messreihe den Schluss ziehen, dass sie Bell’s Ungleichung verletzt? Mit der Antwort auf diese Frage habe ich mich am Wochenende beschäftigt und sie lautet: ja. Insofern ist das Bild konsistent. ABER – und welch großes ABER ist das! – es sind nicht notwendig dieselben Messreihen, die für Alice/Bob und für Quasi die Bell’sche Ungleichung verletzen! Das liegt daran, dass es zu Superposition nur kommen kann, wenn es mehrere Möglichkeiten gibt, was passieren kann. Wenn Alice und Bob die Orientierung ihrer Station nicht zufällig wählen sondern, sagen wir, hundert Mal X:Y, danach genau so oft X:Z und schließlich Y:Z, dann gibt es keine Wahl und keine Möglichkeit für Quasi, eine Superposition wahrzunehmen. Wenn Quasi zunächst hundertmal das eine Photonenpaar losschickt, dann das nächste usw. können Bob und Alice keine Superposition wahrnehmen, denn eine Superposition aus nur einer Möglichkeit gibt es nicht. Nur wenn sowohl die Orientierung der Messstationen (aus der Sicht von Alice/Bob) als auch die Teilchen (aus der Sicht von Quasi) zufällig “aus dem Topf gezogen werden”, können alle, Alice/Bob und Quasi zu dem Schluss kommen der jeweilig andere sei bis zur Messung im Zustand der Überlagerung verharrt.

    Möglicherweise beobachtet man schon deshalb in der Welt der großen Dinge keine Superposition, weil rein zufällige Entscheidungen hier kaum mehr auftreten. Ich hab’ den SdW Artikel noch nicht gelesen, aber vielleicht kommt er zu dem gleichen Schluss.

  12. #12 MartinB
    9. Oktober 2012

    @Marel
    “Für ihn befinden sich allerdings die Messstationen in einer Superposition aller möglichen Zustände ”
    Was hindert Quasimodo daran, während des gesamten Experiments die orientierung der Messstationen zu messen?

  13. #13 Marel
    10. Oktober 2012

    @Martin

    Gar nichts, es sei denn die Orientierung wird erst zum Messzeitpunkt festgelegt, scheinbar zufällig für Alice/Bob. Aber wenn er die Orientierung der Messtation mißt, kommt es in keinem Fall zu einer Verletzung der Bell’schen Ungleichung. Das heißt nicht, daß es automatisch zu einer kommt, wenn er es nicht tut. Aber es kann zu einer kommen, wenn die Eigenschaften des Photonenpaars die Messeinrichtungen beeinflussen, die von Quasi mit zufällig “gewählten” Eigenschaften abgesendet werden.
    Wenn Alice/Bob die Eigenschaften des Photonenpaars nicht messen, bevor es die Messtationen erreicht, kann es zu einer Verletzung der Bell’schen Ungleichung kommen, müßte aber nicht. Von der Quantentheorie her und von Experimenten wissen wir, daß es tatsächlich zu so einer Verletzung kommt. Für Quasi wissen wir das hingegen nicht. Genauso möglich, daß es nicht der Fall ist, wie es möglich ist, daß es doch so ist.

  14. #14 MartinB
    10. Oktober 2012

    @Marel
    “Aber wenn er die Orientierung der Messtation mißt, kommt es in keinem Fall zu einer Verletzung der Bell’schen Ungleichung. ”
    Warum das denn nicht? Wie soll denn die bloße Kenntnis der Stellungen durch Q einen Einfluss auf die Wahrscheinlichkeiten der Photonen haben?
    Ich bin mir ziemlich sicher, dass das nicht funktioniert.
    Der Normalfall zumindest bei den ersten Experimenten war doch der, dass derselbe Experimentator die gesamte Messung aufbaut und macht – Tricks mit “delayed choice” etc. hat man ja erst später eingeführt.

  15. #15 Marel
    11. Oktober 2012

    @MartinB

    Es gibt auch noch basalere Probleme, weil es nämlich sicherlich mehr Arten gibt, die Bell’sche Ungleichung zu verletzen als diejenige, die die QM wählt. Bislang hab’ ich aber nur untersucht, ob, wenn man ein Photonensuperpositionsbündel zur Messstation schickt bzw. ein definiertes Photon zum Messtationsorientierungsuperpositionsbündel, es überhaupt zu irgendeiner Bell Ungleichungsverletzung kommen kann. Vielleicht unterscheidet sich die Art der Messreihen in den beiden Fällen gravierend oder riecht im zweiten Fall gar nicht nach QM.
    Ich muß eine Auftrittswahrscheinlichkeitsmatrix: mögliche Photonen gegen mögliche Messstationsorientierungen aufstellen und nach maximaler(?) Bell-Ungleichungsverletzung optimieren. Erst wenn dann das Resultat QM-like ist und für beide Fälle unter Verwendung dieser Matrix vergleichbare Messreihen generiert werden, kann ich überhaupt weiterreden.
    Aber konkret zu Deiner Frage: Wenn Quasi Photonen mit konkreten Eigenschaften wegschickt – was seiner Ansicht nach ja passiert – UND Bob/Alice schon vor der Messung die Orientierung der Messstationen auswählt, haben wir so eine verborgene Parametersituation, in der die Bell’sche Ungleichung nicht verletzt werden kann. Einer von beiden (A/B oder Q) muß auf Zufall zurückgreifen, damit der andere eine Verletzung der Ungleichung sehen kann.
    Ich möchte nochmals betonen, daß ich selbst von der physikalischen Tauglichkeit meiner Hypothese (Deutung), was die Katze sieht, nicht überzeugt bin. Aber ich gebe sie erst auf, wenn ich sicher bin, daß sie falsch ist, weil mir die “garstige Kind” – Deutung so überhaupt nicht gefällt.

  16. #16 MartinB
    11. Oktober 2012

    @Marel
    Vielleicht helfen ja die Überlegungen hier weiter, damit du deine Ideen konkretisieren kannst:
    http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2011/05/29/quantenmechanik-nichtlokalitat-und-unscharfe/
    Ich bin jedenfalls gar nicht überzeugt.

  17. #17 Marel
    12. Oktober 2012

    @MartinB

    Danke!

    Wenn alle gleich überzeugt wären, wär’s fad, dann würde sich die Beschäftigung damit kaum lohnen.

  18. […] Frage, aber zumindest mit ganzen Molekülen klappt das Experiment in ganz ähnlicher Weise, wie ich neulich erklärt habe. Schickt man Moleküle durch einen Doppelspalt, dann kann man ein hübsches Interferenzmuster […]

  19. #19 Jürgen Westensee
    Kruppstr. 34, D-38126 Braunschweig
    18. Juni 2015

    Anregung zur Intensitätsverteilung
    Bei allen bekannten Doppelspaltexperimenten wird zum Messen der Intensität ein fester Schirm eingesetzt, der nur eine 2-d Intensitäts-Verteilung zeigt. Ist jemals als Schirm so etwas wie fast durchsichtige Jelatine verwendet worden, mit dem eventuell eine 3-d Intensität zu sehen ist? Grund ist die Frage zur Struktur der Energie-Partikel als Photon wie als Elektron. Doppel-Dipole???

  20. #20 MartinB
    19. Juni 2015

    Nein, das Experiment hat man meines Wissens nicht explizit gemacht .
    ” Grund ist die Frage zur Struktur der Energie-Partikel als Photon wie als Elektron. Doppel-Dipole???”
    Verstehe kein Wort, was sind “Energie-Partikel”?

  21. #21 Alex
    26. September 2015

    Ich habe eine Frage zum Gedankenexperiment Schrödingers Katze:
    In dem Gedankenexperiment wird bereits vorausgesetzt, das sich quantenmechanische Überlagerungszustände bis auf makroskopische Größe ausdehnen könnnen, sonst könnte man nicht davon sprechen, dass sich die gesamte Katze innerhalb der Kiste in einen Überlagerungszustand zwischen tot und lebendig befindet.
    Warum soll es dann beim Öffnen der Kiste zu einen Kollaps der Überlagerung kommen? Wenn der Überlagerungszustand innerhalb der Kiste über beliebig lange Zeit erhalten bleibt, warum dehnt er sich dann nicht auf die Erde oder das ganze Universum aus? Können wir nicht das Universum als ebenso abgeschlossenes System wie den Inhalt der Kiste vor dem Öffnen betrachten?
    Gelangt man auf diese Weise zur Viele-Welten-Interpretation?

  22. #22 MartinB
    26. September 2015

    @alex
    Wirbeobachten eben keine Überlagerungszustaende, deswegen nimmt man an, dass es diesen Kollaps geben muss.
    Und ja, eine Alternative ist die Viele-Welten-Theorie, danach ist der Zustand, wo ich die lebende Katze beobachte, mit deer lebenden Katze “verschränkt” und umgekehrt, deswegen beobachte ich den Mischzustand nicht, das ist genau die Idee dahinter, dass da Universum sich aufspaltet.

  23. #23 Alex
    26. September 2015

    @MartinB
    Aber welche Funktion hat dann im Gedankenexperiment die hermetisch abgeschlossene Kiste?
    Wiese werden erst makrospopische Überlagerungszusände im inneren der Kiste angenommen und außerhalb der Kiste soll es keine mehr geben?

  24. #24 MartinB
    26. September 2015

    @Alex
    “außerhalb der Kiste soll es keine mehr geben?”
    Weil in unserem Universum noch nie jemand in eine Kiste geschaut und einen Überlagerungszustand aus lebend+tot gesehen hat. Das Gedankenexperiment soll ja genau dazu dienen, zu zeigen, dass unsere klassische Alltagswelt nicht ohne weiteres ein Grenzfall der Schrödingergleichung ist, sondern dass da noch etwas hinzukommen muss, um eben zu verhindern, dass wir klassisch Überlagerungszustände sehen.
    Die Kiste soll sozusagen die Grenze veranschaulichen.
    Siehe auch den letzten teil meiner Serie zur Schrödingergleichung (rechts bei den Artikelserien) und die anderen Artikel zur QM.

  25. […] Wie groß ist Schrödingers Katze? (inklusive Video zur Interferenz von Molekülen (!) via ScienceBlogs) […]