Quanten

Quantenkräfte machen strahlungsfreie Röntgengeräte möglich

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Fast hundert Jahre ist es her, dass einige geniale Physiker eine Theorie lieferten, mit der man das skurrile Verhalten kleinster Materieteilchen erklären kann. Zunächst rief ihre Theorie Ungläubigkeit und Erstaunen hervor, doch dann bewährte sie sich besser als jede andere: Noch nie hat die Quantenmechanik bislang in einem Test versagt. So machen sich die Physiker heute einen Spaß daraus, immer neue und immer verrücktere Experimente zu ersinnen, um die Vorhersagen der Quantenmechanik bis ins Letzte auszureizen. Doch was bis vor Kurzem noch eine Gedankenspielerei theoretischer Physiker war, wird nun immer relevanter für unseren Alltag: Zum einen nämlich werden dank Computer- und Nanotechnologie die Alltagsgegenstände oft so klein, dass in ihrem Inneren quantenmechanische Effekte eine Rolle spielen. Zum anderen arbeiten die Physiker auch daran, immer größere Systeme zu finden, in denen die merkwürdigen Verhaltensweisen des Allerkleinsten eine Rolle
spielen. Das vielleicht wichtigste Resultat ihrer Bemühungen ist heute schon deutlich zu spüren: Wir müssen anerkennen, dass die Welt, die uns umgibt, viel seltsamer ist, als wir uns das vorstellen können. Unsere Alltagsgewissheiten werden auf den Kopf gestellt - das Absurde ist offensichtlich Realität.

Der Casimir-Effekt und die geisterhafte Kraft aus dem Nichts

Von nichts kommt bekanntlich nichts - es sei denn, es sind Quanten im Spiel. Hier können nämlich Kräfte aus dem Nichts entstehen. Dazu genügt es, zwei Metallplatten dicht genug nebeneinander in ein Vakuum zu stellen. Obwohl ringsum die Platten herum und auch zwischen ihnen komplette Leere herrscht, entsteht plötzlich eine winzige Kraft und drückt die beiden Platten gegeneinander. Schon 1948 sagte der holländische Physiker Hendrik Casimir diesen Effekt theoretisch voraus, bereits acht Jahre später wurde er im Labor nachgewiesen. Die geisterhafte Kraft entsteht, weil das Vakuum nach den Gesetzen der Quantenmechanik nie wirklich leer ist. Ständig poppen für kürzeste Zeitabschnitte geisterhafte Partikel-Antipartikel-Paare aus der Leere auf, flitzen für einen winzigen Moment durch die Welt und verpuffen vereint wieder. Während außerhalb der Platten Teilchen mit beliebiger Wellenlänge herumschwirren, können sich zwischen den Hindernissen nur solche Teilchen aufhalten, deren Wellenlänge ein- oder mehrmals in den Spalt hineinpasst. Die Auswahl zugelassener Kandidaten ist deshalb drinnen kleiner als draußen - die äußere Übermacht aber drückt die Platten ein wenig zusammen.

Der Casimir-Effekt ist mehr als eine experimentelle Absurdität: Er kann in der Nanotechnologie Probleme machen, weil Bauteile der mikroskopisch winzigen Maschinen zusammenzukleben drohen. Durch geschickte Materialwahl allerdings lässt sich die Kraft aus dem Nichts auch umkehren: 2009 gelang es US-Physikern, durch eine Kombination von Gold- und Quarz-Platten mit Brombenzol im Spalt eine Abstoßung zu erzeugen.

Warum der Quanten-Zeno-Effekt Wasser nicht kochen lässt

Kann eine Hausfrau einen Topf Wasser am Kochen hindern, indem sie ihn nicht aus den Augen lässt? Ja - wenn der Topf nur klein genug ist. In der Welt der Quanten kann permanentes Hinschauen Ereignisse verzögern oder gar dauerhaft verhindern. Dieses Phänomen ist als Quanten-Zeno-Effekt bekannt. Er tritt etwa beim Zerfall radioaktiver Atome auf. Doch anders, als wir es aus dem Alltag gewohnt sind, zerfällt ein unbeobachtetes Atom auf andere Weise als eines, das beobachtet wird: Das unbeobachtete Atom nimmt einen Überlagerungszustand aus zerfallener und nicht zerfallener Variante ein. Die zeitliche Entwicklung dieser Mischung wird durch die sogenannte Schrödinger-Gleichung beschrieben: Je länger man mit dem Hingucken wartet, desto größer wird der Anteil des zerfallenen Atoms. Im Moment der Beobachtung muss sich das Atom dann entscheiden: Die Überlagerung der beiden Zustände löst sich auf, und nur eine von beiden Varianten wird Realität. Ist es der nicht zerfallene Zustand, so wird die innere Uhr quasi auf null zurückgedreht: Die Zeit läuft von vorn los, die Wahrscheinlichkeitskurve wird neu gezeichnet. Je öfter man demnach hinguckt bzw. misst, desto mehr sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass das Atom bald zerfällt. Schaut man schließlich pausenlos hin, verharrt das Teilchen in einer Art Starre und kann seiner natürlichen Bestimmung nicht mehr folgen. Dieser Quanteneffekt existiert tatsächlich: Amerikanische Forscher haben ihn vor einigen Jahren an Beryllium-Ionen zweifelsfrei nachgewiesen. Durch ständiges Messen konnten sie die Ionen in einem instabilen Zustand halten.