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Geheimnisse der Quantenwelt

An zwei Orten zugleich…

Die Welt der Quantenmechanik scheint so absonderlich und absurd, dass selbst Physiker an ihre Grenzen stoßen: „Wer über die Quantenmechanik nachdenken kann, ohne wirr im Kopf zu werden, hat sie nicht wirklich verstanden“, so der Däne Niels Bohr, der 1922 für sein Atommodell den Nobelpreis erhielt und als einer der Begründer der Quantenmechanik gilt.

Schwarzes Schaf © SXC

Im Reich der Quanten ist kaum etwas wirklich das, was es scheint. So ist ein Teilchen beispielsweise keineswegs immer und überall ein Teilchen, sondern kann genausogut eine Welle sein. Umgekehrt können Licht und andere Wellen sich gelegentlich auch wie ein Teilchen verhalten. Dieser so genannte Welle-Teilchen Dualismus ist nicht neu. Schon Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckte Einstein, dass Licht auch als eine Anzahl von konkreten Teilchen, den Photonen beschrieben werden kann. Wenig später wurde dieser Dualismus auch für andere Partikel wie Elektronen, Protonen oder Neutronen nachgewiesen.

Es wird aber noch seltsamer: Nicht nur die Natur eines Objektes in der Quantenwelt ist uneindeutig, es weigert sich auch, sich auf einen Ort festlegen zu lassen. Diese 1920 vom Physiker Werner Heisenberg entdeckt „Unschärfe“ bedeutet nichts anderes, als das der konkrete Aufenthaltsort eines Objekts unbestimmt ist, sich nur als Aufenthaltswahrscheinlichkeit schätzen lässt. In diesem Stadium kann es sein, dass sich beispielsweise ein – eigentlich unteilbares – Photon an zwei Orten zugleich aufhält.

© IMSI MasterClips

Möglich wird dies durch eine Überlagerung von Wahrscheinlichkeiten. Sind beide Aufenthaltsorte gleich wahrscheinlich, hält sich das Photon mit 50prozentiger Wahrscheinlichkeit an dem einen Ort, mit der gleichen aber an dem anderen Ort auf. Im Gegensatz zu unserem Verständnis bedeutet dies für die Quantentheorie aber keineswegs ein „Entweder-Oder“, sondern ein „Sowohl-Als auch“: Das Photon befindet sich in einem Überlagerungszustand, bei dem es sich theoretisch gleichzeitig an dem einen und an dem anderen Ort befindet.

Erst der Versuch, das Photon durch eine Messung zu lokalisieren, zerstört diesen Überlagerungszustand und zwingt das Photon, sich an einem der beiden Orte zu manifestieren, sich „zu entscheiden“. Diese Messung stört allerdings gleichzeitig die Wellennatur des Photons und verändert seinen energetischen Zustand.

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Aus dieser „Unschärfe“ resultiert auch das große Dilemma aller quantenphysikalischen Experimente: Jede Messung in der Quantenwelt beeinflusst und verändert das Objekt, das beobachtet wird – vergleichbar mit den Spuren, die wir hinterlassen, wenn wir mit den Händen einen verstaubten Gegenstand betasten. Doch so lästig diese „Unantastbarkeit“ der Objekte in der Quantenwelt ist, für die Computerwissenschaftler ist die „Unschärfe“ ein Geschenk des Himmels…

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Stand: 16.10.2001

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Computer der Zukunft
Rechnen mit Quanten, Licht und DNA

An zwei Orten zugleich...
Geheimnisse der Quantenwelt

Weder Null noch Eins oder beides zugleich...
Das Prinzip des Quantenbits

Messen ohne hinzuschauen...
Hindernisse auf dem Weg zum Quantencomputer

Aus dem Werkzeugkasten der Natur...
Rechnen mit Biomolekülen

Eine spezielle Aufgabe für die DNA...
Das Problem eines Handlungsreisenden

Man nehme einen Teelöffel voll DNA...
Adlemans DNA-Rechenexperiment

Sieben Städte in sieben Tagen...
Suche nach der Nadel im Heuhaufen

DNA so schwer wie die Erde...
Hindernisse auf dem Weg zum DNA-Computer

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