Die seltsame Welt der Quanten

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1 Saturday Morning Physics Die seltsame Welt der Quanten Wie spielt Gott sein Würfelspiel? Gernot Alber und Gerhard Birkl Institut für Angewandte Physik Technische Universität Darmstadt

2 Auf dem Weg zur Welt der Atome und Photonen Unsere Erfahrungswelt ist großteils bestimmt durch Atome. Photonen erlauben uns den Informationsaustausch mit der Quantenwelt.

3 Übersicht - Die seltame Welt der Quanten Charakteristische Quantenphänomene Quantisierung physikalischer Größen Quanteninterferenz und Materiewellen Zufall ist irreduzibel

4 Übersicht - Die seltame Welt der Quanten Charakteristische Quantenphänomene Quantisierung physikalischer Größen Quanteninterferenz und Materiewellen Zufall ist irreduzibel

5 Der Weg zur Quantisierung Die Spektroskopie liefert uns Informationen über den Aufbau der Atome.

6 Spektrum einer Glühlampe Das Spektrum einer thermischen Lichtquelle (Glühlampe, Schwarzer Körper) ist kontinuierlich.

7 Spektrum des Sonnenlichtes Joseph von Fraunhofer erkannte, dass im Sonnenspektrum dunkle Linien sind.

8 Spektrum des Sonnenlichtes Kaltes Gas auf der Sonnenoberfläche oder zwischen Sonne und Erde absorbiert Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen.

9 Spektrum des Sonnenlichtes Die Absorptionswellenlängen sind diskret und charakteristisch für die chemischen Elemente.

10 Emissionsspektren von chemischen Elementen Bei Erhitzen emittieren chemische Elemente Licht.

11 Emissionsspektren von chemischen Elementen Jedes chemische Element zeigt spezifische diskrete Absorptions- und Emissionswellenlängen.

12 Balmer-Formel für Wasserstoffspektrum λ = hm 2 /(m 2 -n 2 ) m,n: ganze Zahlen Johann Balmer ( )

13 Atome besitzen diskrete Energieniveaus Erklärung: Atome besitzen diskrete Energieniveaus. Absorption und Emission führen zum Übergang zwischen diskreten Energieniveaus.

14 Atome besitzen diskrete Energieniveaus Jedes Energieniveau entspricht einer bestimmten Form der Verteilung der Elektronenwolke um den Atomkern. Absorption und Emission ändern Elektronenverteilung. Niels Bohr ( ) Erwin Schrödinger ( )

15 Atome besitzen diskrete Energieniveaus Jedes Energieniveau entspricht einer bestimmten Form der Verteilung der Elektronenwolke um den Atomkern. Absorption und Emission ändern Elektronenverteilung.

16 Übersicht - Die seltame Welt der Quanten Charakteristische Quantenphänomene Quantisierung physikalischer Größen Quanteninterferenz und Materiewellen Zufall ist irreduzibel

17 Materie hat Teilchencharakter In der klassischen Physik besitzt Materie reine Teilcheneigenschaften. Beispiel: Kochsalz

18 Welleneigenschaften von Licht Interferenz am Doppelspalt: Interferenzexperiment beweist Wellencharakter

19 Materiewellen Kann Materie auch Wellencharakter haben? UND: Was sind Materiewellen Was sind Materiewellen? Klassische Physik Quantenphysik Louis de Broglie ( ) Welle-Teilchen-Dualismus Wir detektieren Teilchen, aber sie verhalten sich wie Wellen

20 Elektronenbeugung an Graphit Graphit

21 Welleneigenschaften von Materie Interferenz von Elektronenwellen am Graphitkristall

22 Welleneigenschaften von Materie Interferenz von Elektronenwellen am Graphitkristall

23 Welleneigenschaften von Materie Interferenz von Elektronenwellen am Graphitkristall Materie zeigt auch Welleneigenschaften!!

24 Welleneigenschaften von Materie Interferenz von Elektronenwellen am Graphitkristall Materie zeigt auch Welleneigenschaften!!

25 Welleneigenschaften von Materie Interferenz von Elektronenwellen am Graphitkristall Materie zeigt auch Welleneigenschaften!! Was sind Materiewellen? Klassische Physik Quantenphysik Welle-Teilchen-Dualismus Wir detektieren Teilchen, aber sie verhalten sich wie Wellen

26 Sichtbarmachung von Welleneigenschaften Wellenausbreitung Schall Licht

27 Wellenlänge von Materiewellen Experimente erfordern große Wellenlängen Kühlen von Atomen Materiewellen Kinetische Energie Thermische Energie Raumtemperatur Ludwig Boltzmann ( )

28 Materiewellen mit großer Wellenlänge Experimente erfordern große Wellenlängen Wir nehmen die kälteste bisher erzeugte Materie Bose-Einstein-Kondensat Lowest Manmade Temperature The lowest manmade temperature achieved so far is 450 picokelvin. It was achieved by a team of scientists... and W. Ketterle.... At such low temperatures, matter takes on a new state called a Bose-Einstein condensate

29 Bose-Einstein-Kondensation Carl Wieman Eric Cornell Wolfgang Ketterle

30 Bose-Einstein-Kondensation

31 BEC phase transition

32 Doppelspaltversuch mit Bose-Einstein-Kondensat Durch einen zusätzlichen abstoßenden Laserstrahl können aus einem BEC zwei gemacht werden. 50 µm

33 Interferenz von zwei Bose-Einstein-Kondensaten Interference pattern

34 Charakteristische Quantenphänomene Quantisierung physikalischer Größen Quanteninterferenz Zufall ist irreduzibel moderne Quantentheorie (1925) Heisenberg, Schrödinger, Dirac weder Teilchen noch Wellen sondern Quanten Wahrscheinlichkeiten wie Intensitäten von Wellen technologische Anwendungen Quantenkryptografie und Quantencomputer

35 Übersicht - Die seltame Welt der Quanten Charakteristische Quantenphänomene Quantisierung physikalischer Größen Quanteninterferenz und Materiewellen Zufall ist irreduzibel

36 Die Einstein-Bohr Debatte und der Quantenzufall Gott würfelt nicht! Wollen sie Gott etwa vorschreiben, was er zu tun hat?

37 Seltsamer Quantenzufall Experiment von Stern und Gerlach (Frankfurt,1928) magnetisches Moment des Elektrons (Spin) im Magnetfeld Otto Stern

38 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

39 Verallgemeinertes Stern-Gerlach Experiment P + = 1/2 P_ = 1/2 Messungen können einen Quantenzustand ändern! (ähnlich wie bei Polarisationsmessungen an einzelnen Photonen) Anwendungen?

40 Die erste quantenmechanisch verschlüsselte Banküberweisung Wien, 21. April 2004, Anton Zeilingers Gruppe Quantenkryptografie

41 Zusammenfassung - Ausblick Charakteristische Quantenphänomene Quantisierung - 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?

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