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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
[email protected]@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?