Quantenphysik in elementaren Portionen, Karlsruhe, Komplementarität

Transkript

1 Quantenphysik in elementaren Portionen, Karlsruhe, Komplementarität

2 Quantenphysik in elementaren Portionen, Karlsruhe, Komplementarität beim Interferometer Dr. Josef Küblbeck Staatliches Seminar Stuttgart II Mörike-Gymnasium Ludwigsburg

3 Quantenphysik in elementaren Portionen, Karlsruhe, Komplementarität beim Interferometer 1. Interferenz im Quantenbereich 2. Komplementarität 3. Eine Quantenblume 4. Quantenradierer-Experiment

4 Interferenz: z.b: Das Fulleren-Experiment von Zeilinger et al. [1999] C 60 -Molekül

5 Das Fulleren-Experiment C 60 - Mole kül

6 Das Fulleren-Experiment

7 Das Fulleren-Experiment Fotos von Zeilinger et al. über W.Hirlinger

8 Oder: Heliumatome am Doppelspalt

9 Interferometer mit einzelnen Photonen

10 Interferometer mit einzelnen Photonen

11 Streuung von Elektronen an Löchern Mit Gold zugewachsenes Mikrosieb

12 Beugung von Atomen Pfau et al., Univ. Konstanz (1994)

13 Atom-Interferometer Dürr, Nonn, Rempe (1998)

14 Beugung an Kristallen

15 Streuversuche Zahl der Detektionen (geglättet) 12 C 12 C θ

16 Streuversuche

17 Quantenphysik in elementaren Portionen, Karlsruhe, Komplementarität beim Interferometer 1. Interferenz im Quantenbereich 2. Komplementarität 3. Eine Quantenblume 4. Quantenradierer-Experiment

18 Gedankenexperiment von Scully et al. H 1 Atomofen Anregungslaser H 2

19 Doppelspalt-Experiment: Ortsmessung an den Spalten Welche Ergebnisse können auftreten?

20 Ergebnis 1: Stets gibt genau einer der beiden Detektoren ein Signal.

21 Ergebnis 1: H 1 Atomofen Anregungslaser H 2

22 Ergebnis 1: H 1 Atomofen Anregungslaser H 2

23 Ergebnis 2: Das Interferenzmuster ist nicht mehr beobachtbar. H 1 Atomofen Anregungslaser H 2

24 Umsetzung im Real-Experiment: Interferometer mit einzelnen Photonen

25 Photonen- Spaltung Nichtlinearer Kristall

26 Photonen- Spaltung Nichtlinearer Kristall

27 Photonen- Spaltung im Interferometer nichtlinearer Kristall D 2 D 1

28 Photonen- Spaltung im Interferometer nichtlinearer Kristall D 2 D 1

29 Photonen- Spaltung im Interferometer nichtlinearer Kristall D 2 D 1

30 Interferometer mit einzelnen Photonen nichtlinearer Kristall

31 Photonen- Spaltung im Interferometer nichtlinearer Kristall D 2 D 1

32 Photonen- Spaltung im Interferometer nichtlinearer Kristall

33 Photonen- Spaltung im Interferometer nichtlinearer Kristall D 2 D 1

34 Die Möglichkeit genügt... nichtlinearer Kristall

35 Die Möglichkeit genügt... nichtlinearer Kristall D 2 D 1

36 Auf den Zeitpunkt kommt es an! nichtlinearer Kristall D 2 D 1

37 Experiment von J. Roch et al Interferometer mit Weglänge von 48m Modulator, der innerhalb einer millionstel Sekunde Interferenz aus/anschalten kann. Prinzip: D 2 D 1

38 Merkwürdiger Sachverhalt: Merkwürdige Sprache? FAZ, Ein Eingriff in die Vergangenheit Obwohl sich durch den Zustand des Modulators erst nachträglich entschied, ob ein Interferenzexperiment oder ein Versuch mit Partikeln ausgeführt wurde, verhielten sich die Photonen am Strahlteiler stets richtig: mal als Wellen, mal als Teilchen.

39 Komplementarität beobachtet man in vielerlei Experimenten! Sie ist gewissermaßen typisch für die Quantenphysik.

40 Beugung von Atomen Pfau et al., Univ. Konstanz (1994)

41 Atom-Interferometer Dürr, Nonn, Rempe (1998)

42 Atom-Interferometer Ergebnis:

43 C-C-Streuung 12 C 13 C θ

44 Komplementarität beobachtet man in vielerlei Experimenten! Sie ist gewissermaßen typisch für die Quantenphysik. Sie zeigt sich auch im Formalismus.

45 Komplementarität zeigt sich auch im Formalismus: Wenn es mehrere Beiträge zur selben Amplitude gibt: ununterscheidbar erst (komplex) addieren unterscheidbar erst (komplex) addieren Allgemein: Untermengen von ununterscheidbaren Amplituden bilden Für jede Untermenge: Amplituden komplex addieren, dann quadrieren. Anschließend die Quadrate summieren.

46 Ein Beispiel aus der Elementarteilchen-Physik: Der Kaon-Zerfall in zwei geladene Pionen:

47 Feynman-Graph Zeiger (= komplexe Zahlen) mit Hilfe der Feynman-Regeln

48 Berechnung der Zerfallsrate 2 P(θ) ~

49 Quantenphysik in elementaren Portionen, Karlsruhe, Komplementarität beim Interferometer 1. Interferenz im Quantenbereich 2. Komplementarität 3. Eine Quantenblume 4. Quantenradierer-Experiment

50 In einer Höhle wächst eine Blume mit Trichterblatt.

51 Bedingungen für erfolgreiches Wachstum: Wasser im Trichterblatt Dunkelheit beim Wachstum

52 Licht stoppt das Wachstum: 1. Tag 2. Tag 3. Tag 4. Tag 5. Tag

53 Wie bewässert sich die Pflanze?

54 Wie bewässert sich die Pflanze? Entweder: Oder: In der 1. Nacht In der 2. Nacht

55 Überblick: 1. Tag 2. Tag 3. Tag 4. Tag 5. Tag?

56 Wie bewässert sich die Pflanze?

57 Wie bewässert sich die Pflanze?

58 Ergebnis:

59 Datenerfassung mit dem Rechner:

60 Datenerfassung mit dem Rechner:

61 Ergebnis:

62 Festplatte geht kaputt:

63 Festplatte geht kaputt:

64 Ergebnis:

65 www

66 www

67 Ergebnis:

68 Zusammenfassung: Wenn man rauskriegen kann, wie sich die Blume bewässert hat, bekommt man keine große Blüte.

69 Auf den Zeitpunkt kommt es an!

70 Auf den Zeitpunkt kommt es an!

71 Auf den Zeitpunkt kommt es an!

72 Auf den Zeitpunkt kommt es an!

73 Auf den Zeitpunkt kommt es an! Morgen des 5. Tags

74 Auf den Zeitpunkt kommt es an! Morgen des 5. Tags Bewässerungs-Information gelöscht

75 Quantenphysik in elementaren Portionen, Karlsruhe, Komplementarität beim Interferometer 1. Interferenz im Quantenbereich 2. Komplementarität 3. Eine Quantenblume 4. Quantenradierer-Experiment

76 Ein Schulversuch zur Komplementarität: Der Doppelspalt mit Polarisationsfolien

77 Doppelspalt Atomofen Zum Zeitpunkt des Nachweises ist keine Zuordnungs-Messung möglich.

78 Doppelspalt mit Polfiltern Atomofen

79 Doppelspalt mit parallelen Polfiltern Atomofen Zum Zeitpunkt des Nachweises ist keine Zuordnungs-Messung möglich.

80 Doppelspalt mit orthog. Polfiltern Atomofen