• vom 22.01.2014, 13:49 Uhr

Forschung

Update: 22.01.2014, 13:57 Uhr

Mehr Schärfe für Heisenbergs Unschärferelation




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  • Im Vorjahr gelang vollständige Beschreibung fundamentaler Grenzen bei Messung von Quantensystemen.

Wien/Brisbane. Werner Heisenbergs Unschärferelation war bis vor kurzem noch unscharf. Erst im Vorjahr gelang die vollständige Beschreibung der fundamentalen Grenzen bei der Messung von Quantensystemen. Experimente von Wissenschaftern in Australien, darunter auch österreichische Physiker, zeigen nun sehr gute Übereinstimmung mit der neuen Unschärferelation, berichten sie im Fachjournal "Physical Review Letters".

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Vereinfacht wird Heisenbergs 1927 formulierte Unschärfebeziehung, das wohl bekannteste quantenphysikalische Gesetz, meist am Beispiel eines Teilchens, etwa eines Elektrons, beschrieben: von diesem sind beispielsweise Ort und Geschwindigkeit nicht beliebig genau zu bestimmen. Weiß man die Geschwindigkeit, kann man keine genauen Angaben über den Ort machen und umgekehrt. Neben Ort und Geschwindigkeit gibt es zahlreiche derart inkompatible Messgrößen.

Heisenbergs Aussagen im Detail
Tatsächlich hat Heisenberg drei qualitative Aussagen gemacht: Demnach kann man - um beim Beispiel zu bleiben - ein Teilchen nicht mit exakter Geschwindigkeit an einer exakten Position herstellen, hier geht es also um die Präparation eines Quantensystems. Zudem ist die gleichzeitige Messung von Ort und Geschwindigkeit, also eine Messung beider Größen, nicht mit beliebiger Genauigkeit möglich. Und schließlich stört die Messung der Geschwindigkeit die nachfolgende Messung des Orts und umgekehrt - je genauer die erste, umso ungenauer die zweite Messung.

"Heisenberg sagte lediglich, dass alle drei Fälle in der Quantenphysik nicht mit beliebiger Genauigkeit möglich sind, er sagte aber nicht, wo die Grenze der Genauigkeit liegt", erklärte der Erstautor der aktuellen Studie, Martin Ringbauer, der bei Andrew White an der University of Queensland in Brisbane (Australien) sein Doktorat macht, im Gespräch mit der APA. Diese Grenzen würden durch Unschärferelationen beschrieben, wobei jene von Heisenberg ausschließlich die erste seiner qualitativen Aussagen betreffe - jene, in der es um die Präparation eines Quantensystems geht.

Ein Meilenstein für das Verständnis
Für die anderen beiden Aussagen Heisenbergs hat Cyril Branciard von der University of Queensland im Vorjahr eine quantitative Beschreibung hergeleitet, "eine neue Unschärferelation für diese beiden Fälle", so Ringbauer. Diese beschreibt nun genau, wie exakt Ort und Geschwindigkeit in einer Messung bestimmt werden können bzw. wie groß die Störung der Geschwindigkeitsmessung ist, wenn zuvor der Ort mit einer bestimmten Präzision bestimmt wurde bzw. umgekehrt.

"Branciards Unschärferelation ist ein Meilenstein für unser Verständnis der fundamentalen Grenzen der Quantenmechanik", sagte Ringbauer, der an der Uni Wien sein Physikstudium absolviert hat. Gemeinsam mit dem Österreicher Alessandro Fedrizzi, der als Postdoc in Brisbane arbeitet, und australischen Kollegen hat er den ersten experimentellen Test dieser neuen Theorie präsentiert.

Sie verwenden dazu Photonen (Lichtteilchen) und messen deren Polarisation, also die Schwingungsrichtung des Lichts. Konkret werden zwei 45 Grad zueinander stehende Richtungen gemessen - das kann man mit der Messung von Ort und Geschwindigkeit eines Teilchens vergleichen. Die Forscher haben ihren Messapparat so charakterisiert, dass sie herauszufinden konnten, wie genau die gleichzeitige Messung möglich ist bzw. wie groß die Störung der zweiten Messung in Abhängigkeit von der Präzision der ersten Messung ist.

"Branciards Unschärferelation beschreibt genau wie präzise solche Messungen sein können und wir haben gezeigt, dass wir dieses ultimative Limit im Labor erreichen können", betonte Ringbauer, und weiter: "Unsere Resultate verletzen deutlich die 'Heisenbergsche Unschärferelation', folgen jedoch sehr gut den theoretischen Vorhersagen von Branciards Unschärferelation."

Für den Physiker hat dies weitreichende Konsequenzen für das Verständnis von Messungen in der Quantenphysik. Erstmals werde damit gezeigt, was quantenmechanisch möglich sei und was nicht. Dies sei essenziell etwa für die Entwicklung neuer Hochpräzisionsmessungen.



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Copyright © Wiener Zeitung Online 2017
Dokument erstellt am 2014-01-22 13:50:39
Letzte nderung am 2014-01-22 13:57:04



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