Die Quantenmechanik zeigt, dass die Teilchen in unserem Universum keine festen Eigenschaften wie Alltagsobjekte besitzen. Sie existieren in einem Zustand der Superposition, bis eine Störung sie zwingt, eine Realität zu "wählen". Dieses grundlegende Prinzip bedeutet, dass man nicht gleichzeitig den genauen Ort und den Impuls eines Teilchens kennen kann - eine Einschränkung, die als Heisenbergsche Unschärferelation bekannt ist.
Doch australische Physiker haben nun das Undenkbare geschafft: Sie haben diese beiden Größen gleichzeitig gemessen, ohne dieses grundlegende Prinzip zu verletzen. Ihr Geheimnis? Die Verwendung modularer Observablen, ein mathematischer Ansatz, der die Einschränkung elegant umgeht. Anstatt den absoluten Ort und Impuls bestimmen zu wollen, konzentrierten sie sich auf deren relative Veränderungen innerhalb einer festen Skala, ähnlich wie wenn man nur die Millimeter auf einem Lineal misst, ohne sich für die Zentimeter zu interessieren.
Das Experiment wurde an einem einzelnen Ion durchgeführt, einem geladenen Atom, das durch elektromagnetische Felder eingefangen wurde. Die Forscher verwendeten Laser, um einen sogenannten Gitterzustand zu erzeugen, bei dem sich die Wellenfunktion des Ions in eine Reihe regelmäßig beabstandeter Peaks verteilt. Jeder Peak dient als Referenzpunkt, und wenn eine winzige Kraft das Ion verschiebt, verschiebt sich das gesamte Muster leicht. Durch die Analyse dieser relativen Verschiebungen konnten sie gleichzeitig die Veränderungen von Position und Impuls erfassen.
Beachten Sie, dass die gemessene Kraft in der Größenordnung von 10 Yoctonewton (also 0,00000000000000000000001 Newton) liegt und nicht die schwächste jemals gemessene ist, aber die Innovation liegt in der Einfachheit des experimentellen Aufbaus. Während frühere Rekorde massive Kristalle und komplexe Anlagen erforderten, verwendet dieser Ansatz ein einzelnes Atom in einer relativ einfachen Falle. Diese Zugänglichkeit ebnet den Weg für praktische Anwendungen in Bereichen wie der Quantennavigation, wo herkömmliche GPS-Systeme versagen.
Christophe Valahu, Physiker an der Universität Sydney und Hauptautor der Studie, erklärt in einer Mitteilung, dass dieser Durchbruch eine ähnliche Wirkung wie Atomuhren haben könnte. Ultrapräzise Quantensensoren könnten nicht nur die Unterwasser- und Raumfahrtnavigation revolutionieren, sondern auch die medizinische und biologische Bildgebung, indem sie Signale erfassen, die so schwach sind, dass sie konventionellen Instrumenten entgehen.
Diese Demonstration beweist, dass die Quantenunschärfe keine unüberwindbare Barriere ist, sondern vielmehr eine Grenze, die neu definiert werden muss. Indem die Wissenschaftler bestimmte als nicht wesentlich erachtete Informationen akzeptieren zu verlieren, gelingt es ihnen, Daten zu gewinnen, die bisher nicht gleichzeitig erhältlich waren. Diese Messphilosophie könnte neue Generationen von Quantentechnologien inspirieren und möglich machen, was gestern noch undenkbar schien.
Die Heisenbergsche Unschärferelation
1927 vom deutschen Physiker Werner Heisenberg formuliert, stellt dieses grundlegende Prinzip der Quantenmechanik fest, dass es eine grundlegende Grenze für die Genauigkeit gibt, mit der man gleichzeitig bestimmte Paare physikalischer Eigenschaften eines Teilchens, wie seinen Ort und Impuls, kennen kann. Diese Einschränkung rührt nicht von Unvollkommenheiten der Messinstrumente her, sondern von der Natur der quantenphysikalischen Realität selbst.
Die Unschärfe entsteht dadurch, dass jede Messung in der Quantenmechanik das beobachtete System notwendigerweise stört. Um den Ort eines Teilchens mit großer Genauigkeit zu bestimmen, muss man eine Strahlung mit kurzer Wellenlänge verwenden, was dem Teilchen einen bedeutenden Impuls überträgt und seine Geschwindigkeit unsicher macht. Umgekehrt erfordert die genaue Messung der Geschwindigkeit eine längere Beobachtungszeit, was den Ort unscharf macht.
Diese Unschärferelation wird mathematisch durch eine Ungleichung ausgedrückt: Das Produkt der Unschärfen von Ort und Impuls kann niemals kleiner sein als eine fundamentale Konstante, die mit dem Planckschen Wirkungsquantum zusammenhängt. Dieses Prinzip gilt auch für andere Paare von Observablen, wie Energie und Zeit, und schafft grundlegende Grenzen für das, was im Quantenuniversum erkennbar ist.
Im Gegensatz zu einem verbreiteten Missverständnis bedeutet das Unschärfeprinzip nicht, dass Teilchen keine definierten Eigenschaften haben, sondern dass diese Eigenschaften vor der Messung nicht in determinierter Weise existieren. Es ist diese Eigenschaft, die die Quantenwelt fundamental von der klassischen Welt unterscheidet, die wir im Alltag wahrnehmen.
Quelle: Science Advances