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Atome sind keine Fußbälle

Wojciech H. Zurek vom Los Alamos National Laboratory hält einen Vortrag an der TU Wien. Er erforscht den Übergang zwischen Quantenphysik und klassischer Physik.

Prof. Wojciech H. Zurek (Copyright: frei, Quelle: Wikipedia)

Prof. Wojciech H. Zurek (Copyright: frei, Quelle: Wikipedia)

Prof. Wojciech H. Zurek

Prof. Wojciech H. Zurek

Elementarteilchen und Atome beschreibt man mit den Gesetzen der Quantenphysik, makroskopische Gegenstände lassen sich durch die klassische Physik erklären. Doch wie kann man den Übergang zwischen diesen beiden Gebieten verstehen? Professor Wojciech H. Zurek vom Los Alamos National Laboratory (USA), einer der führenden Forscher auf diesem Gebiet, hält am Montag, dem 23. April einen Vortrag an der TU Wien.

Wiener Physikalisches Kolloquium
Wojciech H. Zurek
Quantum Theory of the Classical
Montag, 23. April 2012, 17:30 Uhr
Technische Universität Wien – Freihaus, Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
Hörsaal 5, 2. Stock, grüner Bereich

Quantenunschärfe gegen klassische Verlässlichkeit
Zwischen Quantenobjekten und klassischen Teilchen gibt es große Unterschiede: Quantenteilchen können verschiedene Zustände gleichzeitig einnehmen, ihr Aufenthaltsort und ihre Geschwindigkeit sind nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit messbar. Teilchen können sich überlagern wie ineinanderlaufende Wellen auf einer Wasseroberfläche. Die klassischen Objekte, mit denen wir täglich zu tun haben, befinden sich aber offenbar immer in einem klar definierten Zustand, an einem festen Ort, mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Niemals kommt es vor, dass sich zwei Fußbälle zu einem Wellenmuster überlagern. Dass sich große Objekte, die nichts anderes sind als eine Ansammlung vieler Quantenteilchen, insgesamt klassisch verhalten, lässt sich mit Hilfe der Dekohärenz-Theorie verstehen: Wenn ein Quantensystem in engem Kontakt mit der Umwelt steht, tauscht es Information mit der Umwelt aus. Die Fähigkeit, wellenartiges Verhalten zu zeigen, geht dadurch verloren – dieses Phänomen bezeichnet man als Dekohärenz.

Kontakt mit der Umwelt zerstört die Quanten-Überlagerungen
Große Objekte lassen sich niemals völlig von der Umwelt isolieren, daher ist bei makroskopischen Objekten normalerweise kein Quanten-Verhalten mehr sichtbar. Steht ein System in Kontakt mit der Umwelt, wird es aufgrund der Quanten-Dekohärenz dazu gezwungen, einen bestimmten Zustand einzunehmen – Überlagerungen von Zuständen, wie sie für Quantenteilchen ganz normal sind, werden dadurch unmöglich. So lässt sich auch der quantenphysikalische Messprozess verstehen: Wenn man den Aufenthaltsort eines Teilchens misst, bekommt man ein eindeutiges Ergebnis. Der Messapparat findet das Teilchen an einem bestimmten Punkt, auch wenn die Position des Teilchens vorher nicht eindeutig festgelegt war. Auch das hat mit Dekohärenz zu tun, denn der Messapparat muss zwangsläufig ein makroskopisches Gerät sein, mit dem das Quantenteilchen in Kontakt gebracht wird. Daher misst man nie eine Quanten-Überlagerung sondern immer einen eindeutigen Zustand.

Nur ganz besondere Quanten-Zustände werden klassisch sichtbar
Wojciech H. Zurek beschäftigt sich mit der Frage, welche Quanten-Zustände überhaupt „erlaubte“ klassische Zustände sein können. Wie ergibt sich aus der Quantenphysik mit ihren beliebigen Zustands-Überlagerungen die klassische Physik, die nur ganz bestimmte Zustände kennt? Zurek erklärt, wie die Quanten-Dekohärenz dazu führt, dass bestimmte Quantenzustände (sogenannte Pointer-States) stabiler gegenüber den Umwelteinflüssen sind als andere. Genau diese speziellen Quanten-Zustände sind es, die sich auch in der makroskopischen Welt beobachten lassen.