wesenszüge der quantenphysik anhand moderner experimente
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Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente. Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik. 0. Was ist wesentlich? 1. Stochastisches Verhalten 2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung 4. Komplementarität 5. Nichtlokalität. Inhalt. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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Wesenszüge der Quantenphysikanhand
moderner Experimente
Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik
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Inhalt
0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität
Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik
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Was ist wesentlich an der QP?
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Schrödingergleichung?Hilbertraum?
Was unterscheidet die Quantenphysik von der klassischen Physik?
Gibt es Überraschendes, Ungewohntes, Merkwürdiges?
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Das Wesentliche an der QP?
Man kann die „Aliens“ nicht sehen.Wir bekommen nur indirekt Informationen über sie.
Und zwar über Messungen,z.B. des Orts Klick!
Detektor
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Das Wesentliche an der QP?
Wir nennen die Aliens „Quantenobjekte“.Dazu gehören
• Elektronen, • Photonen, • Atome, • Moleküle,• magnetische Kristalle,• supergekühlte Ringe,• wir?
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Das Wesentliche an der QP?
Wir wissen nicht, was Aliens „wirklich“ sind:Fische? Löwen? Saurier?
Wir wissen nicht, was Elektronen wirklich sind:Teilchen? Wolken? Wellen?
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Die Aufgabe der Physik
Es ist aber auch nicht die Aufgabe der Physik,zu klären, was etwas „wirklich“ ist.
Was ist Licht wirklich?
Es bewährt sich, Licht so zu behandeln,als bestünde es aus• Lichtstrahlen (Reflexion, Brechung)• Wellen (Interferenz)• Teilchen (Fotoeffekt)
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Beobachtungen und Messergebnisse
Erklären und
Vorhersagen
Syste-matisch unter-suchen
Die physikalische Erkenntnisweise
Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten
1 22
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Messergebnisse
Erklären und
Vorhersagen
Syste-matisch unter-suchen
Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten
Die physikalische Erkenntnisweiseˆ
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Messergebnisse
Syste-matisch unter-suchen
Wir konzentrieren uns zunächst auf die Phänomene:
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Inhalt
0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität
Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik
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Versuche mit Quantenobjekten
Wir lassen sie durch mehrere Spalte gehen.
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C60-Molekül
Ein Beispiel: Das Fulleren-Experiment
von Zeilinger et al. [1999]
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Das Fulleren-Experiment
C60-Molekül
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Das Fulleren-Experiment
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Das Fulleren-Experiment
Fotos von Zeilinger et al. über W.Hirlinger
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Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:
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Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:
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Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:
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Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:
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Wesenszug: Stochastisches Verhalten
Der Auftreffpunkt kannnicht vorhergesagt werden.
(Mögliche Gründe dafür: später)
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Ist der Name „Wesenszug“ berechtigt?
Ja!
Stochastisches Verhalten beobachtet man in vielerlei Experimenten.
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Das Fulleren-Experiment
Fotos von Zeilinger et al. über W.Hirlinger
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Weitere Beispiele:
• Radioaktiver Zerfall
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Weitere Beispiele:
• Radioaktiver Zerfall
• Transmission und Reflexion von Lichtquanten am Strahlteiler
100 48
52
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Weitere Beispiele:
• Radioaktiver Zerfall
• Transmission und Reflexion von Lichtquanten am Strahlteiler
• Lichtquanten am Polarisationsfilter
φTransmission:
cos2()
Absorption: sin2()
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Inhalt
0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität
Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik
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Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:
![Page 29: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/29.jpg)
Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:
![Page 30: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/30.jpg)
Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:
![Page 31: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/31.jpg)
Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:
![Page 32: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/32.jpg)
Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:
![Page 33: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/33.jpg)
Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:
Wesenszug:
Interferenz-fähigkeit
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Ist der Name „Wesenszug“ berechtigt?
Ja!
Interferenzmuster beobachtet man in vielerlei Experimenten.
![Page 35: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/35.jpg)
Interferometer mit einzelnen Photonen
![Page 36: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/36.jpg)
Interferometer mit einzelnen Photonen
![Page 37: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/37.jpg)
Streuung von Elektronen an Löchern
Mit Gold zugewachsenes Mikrosieb
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Beugung von Atomen
Pfau et al., Univ. Konstanz (1994)
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Atom-InterferometerDürr, Nonn, Rempe (1998)
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Beugung an Kristallen
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Streuversuche
Zahl der Detektionen (geglättet)
θ12C 12C
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Streuversuche
![Page 43: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/43.jpg)
Inhalt
0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität
Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik
![Page 44: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/44.jpg)
Doppelspalt-Experiment:
Ortsmessung an den Spalten
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Gedankenexperiment von Scully et al. (1991):
Anregungslaser
Atomofen
H1
H2
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Ergebnis:
Nie stellt man fest, dass
• beide Detektoren anschlagen oder
dass
• keiner der Detektoren anschlägt.
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Messergebnisse sind stets
eindeutig.
Wesenszug: Verhalten bei einer Messung
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Interferometer mit einzelnen Photonen
![Page 49: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/49.jpg)
Nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“
![Page 50: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/50.jpg)
Nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“
![Page 51: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/51.jpg)
nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
D1
D2
![Page 52: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/52.jpg)
nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
D1
D2
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nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
D1
D2
![Page 54: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/54.jpg)
• Ortsmessung bei Atomen• Ortsmessung bei Photonen• Energiemessung an Atomen (zwei mögliche Messergebnisse)
Weitere Beispiele:
• Polarisationsmessung
E
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Inhalt
0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität
Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik
![Page 56: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/56.jpg)
Interferometer mit einzelnen Photonen
![Page 57: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/57.jpg)
Nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“
![Page 58: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/58.jpg)
Nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“
![Page 59: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/59.jpg)
nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
D1
D2
mögliche Messung:
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nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
Mandel et al.
![Page 61: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/61.jpg)
Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler
D1
D2
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
K
![Page 62: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/62.jpg)
Wesenszug:„Komplementarität“
Wenn das Experiment weitere
Messmöglichkeiten enthält,
kann das Interferenzmuster
verschwinden.
nichtlinearer Kristall
D
1
D
2
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Beugung von Atomen
Pfau et al., Univ. Konstanz (1994)
![Page 64: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/64.jpg)
θ
12C 13C
C-C-Streuung
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Inhalt
0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität
Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik
![Page 66: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/66.jpg)
D1
D2
Nichtlokalität
K
![Page 67: Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061602/568146ba550346895db3e9b9/html5/thumbnails/67.jpg)
D1
D2
Nichtlokalität
K
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Nichtlokalität:
Eine Ursache an einem Ort wirkt sich instantan auch an weit entfernten Orten aus.
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Nichtlokalität bei verschränkten Photonen:
a b
Versuchsergebnis: Wenn a durchgeht, geht auch b durch.Wenn a absorbiert wird, wird auch b absorbiert.
a b
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Inhalt
0. Was ist wesentlich?1. Stochastisches Verhalten2. Interferenzfähigkeit 3. Verhalten bei einer Messung4. Komplementarität5. Nichtlokalität
Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik
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Wesenszug: Stochastisches Verhalten
Der Auftreffpunkt kannnicht vorhergesagt werden.
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Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:
Wesenszug:
Interferenz-fähigkeit
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Messergebnisse sind stets eindeutig
Wesenszug: Verhalten bei einer Messung
D
1
D
2
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Wesenszug:„Komplementarität“
Wenn das Experiment weitere
Messmöglichkeiten enthält,
kann das Interferenzmuster
verschwinden.
nichtlinearer Kristall
D
1
D
2
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Nichtlokalität:
Eine Ursache an einem Ort wirkt sich instantan auch an weit entfernten Orten aus.