07.08.2015
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Schrödingers Katze und die Dekohärenz

In der Welt des Allerkleinsten gelten die Gesetze der Quantenmechanik. Warum treten diese Phänomene in unserer makroskopischen Welt kaum in Erscheinung? Warum sehen wir nicht fortwährend Quantenfluktuationen entstehen und vergehen? Warum können wir Wände oder andere Barrieren nicht durchtunneln? Warum sind Zustände in unserer vertrauten Welt klar festgelegt und nicht eine Mischung/Überlagerung aus vielen Möglichkeiten? Insbesondere die letzte Fragestellung hat Erwin Schrödinger plakativ in einem berühmten Gedankenexperiment veranschaulicht:

Ein instabiles Atom befindet sich quantenmechanisch in einem überlagerten/gemischten Zustand aus "Kern ist noch stabil" und "Kern ist bereits zerfallen". Von diesem Zustand könnte nun - durch geeignete Versuchsanordnung - auch das Schicksal eines makroskopischen Lebewesens abhängen, z.B. durch einen "atomaren" Schalter, der beim Zerfall des Atoms ein Gift freisetzt in einen Behälter mit einer Katze. Nachdem der atomare Schalter sich bis zum Meßprozess in einem gemischten Zustand befindet, befindet sich damit auch die Katze in einem gemischten Zustand aus "Katze lebt noch" und "Kathe ist tod"?

Allein die Tatsache, dass sich die Phänomene unseres täglichen Lebens in einer dichten Verteilung von Molekülen abspielen, die wir Luft nennen, führt zu fortwährenden Wechselwirkungen, wodurch die reinen Zustände - sog. kohärente gemischte Zustände - in eindeutige, dekohärente überführt werden. Auch die Interferenzmuster im Doppelspaltexperiment verschwinden, wenn man den Versuch oberhalb einer Grenztemperatur (typischerweise etwa 600 Grad Celsius) durchführt und die Wechselwirkungsrate mit den Photonen damit erhöht.  Aber wie wären die Effekte in einem idealen Vakuum, frei von Molekülen und frei von jedweder Strahlung?

Eine Forschergruppe um Caslav Brukner (Universität Wien / Institut für Quantenoptik und Quanteninformation) spürte dieser Frage nach und gelangte zu einer höchst interessanten Schlußfolgerung: Die Zeitdilatation der Allgemeinen Relativitätstheorie könnte auch beim Übergang zur klassischen Physik eine Rolle spielen.

Die Gravitation und damit die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie nehmen mit dem Abstand zur Masse (die das Gravitationsfeld mit verursacht) ab. Auf dem Mount Everest vergeht somit die Zeit ein wenig schneller als beim Sonnenbad am Meer. Selbst zwischen zwei Stockwerken eines Gebäudes kann dieser winzige Unterschied in der Zeitdilatation noch nachgewiesen werden. Treibt man den Effekt nun auf die Spitze, so würde jedes zusammengesetzte Objekt, beispielsweise ein Molekül, mit einem Ende eine minimal stärkere Gravitation verspüren als am anderen und in Folge Prozesse an einem Ende des Moleküls ein wenig langsamer ablaufen als am anderen.

Auch die Prozesse der Quantenmechanik können sich dem nicht entziehen. Die Unbestimmtheit des Ortes bedingt beispielsweise ein stetiges "Zittern", das sich somit an der Seite eines quanetenmechanischen Objektes, die der Erdoberfläche zugewandt ist, langsamer vollzieht als gegenüber. Berechnungen zeigen, dass dieser Unterschied bereits für einen Wechsel zur Dekohärenz ausreichen könnte. Der experimentelle Nachweis steht noch aus, wie lange beispielsweise Objekte im Doppelspaltexperiment der Gravitation ausgesetzt werden müssen, bis das Interferenzbild verschwindet.

 

 

Illustration eines Molekuels c Igor Pikovski Harvard Smithsonian Center for Astrophysics

(Copyright: Igor Pikovski, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysic).

 

Link zur Originalpublikation: http://www.nature.com/nphys/journal/v11/n8/full/nphys3366.html

In unserem Forum hat Harald Lesch versprochen, in einem Video auf die Zusammenhänge einzugehen: Voila - hier ist es - wir wünschen viel Vergnügen!
 

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Weitere Informationen

  • Schwierigkeitsgrad: [mittel]
  • Dauer (min.): 10
  • Format/Stil: Harald Lesch solo, Neues aus dem Universum
  • Grundlagen: Quantenmechanik
  • Weiterführende Links: Link zu Publikation (Nature)

Personen in dieser Konversation

  • Gast - L.Schmidt

    Wenn alles immer und jederzeit mit der Gravitation wechselwirkt (und jede Wechselwirkung eine Messung darstellt, welche in Dekohärenz resultiert) - dann dürfte es doch die Quantenmechanik in der realen Welt gar nicht geben, sondern lediglich in der Vorstellungskraft, in der die vorstellungstechnisch virtuellen Wellen/Partkel nicht unbedingt der (ebenso virtuellen) Gravitation ausgesetzt sind. Oder falls doch, dann eventuell nur an Orten, an dem die Summe der Gravitätsvektoren sich zu Null addieren, wie eventuell im Massezentrum massiver Objekte bzw Objektkonstellationen. Hat die Erde, stellvertretend für eine große Anzahl weiterer massereicher Objekte, also einen Quantenkern?

    Kleine Bemerkung zu "Einstein sagt also Schrödinger, dass seine Katze tot ist" - ich vermute, dass er sagen sollte, dass seine Katze einen der Zustände tot oder lebendig eingenommen hat, auch ohne Nachprüfung, da selbst bei erfolgter Dekohärenz jeder dieser beiden Zustände möglich ist - womit Einstein also nicht mit Gewissheit behaupten kann, dass Katze tot ist. Sollte Einstein den felinen Zustand "tot" mittels vorheriger Prüfung "reingucken" festgestellt haben, tut Gravitation nichts mehr zur Sache.

  • Gast - Klaus_E

    Hochverehrter Herr Professor Lesch, das hieße ja, dass die Summe aller Wechselwirkungen die Gravitation darstellt und demnach je mehr Wechselwirkungen es in einem begrenzten Raum, ja, in einer begrenzten Raumzeit gibt, je größer ist, oder besser wirkt, die Gravitiation. Und im Umkehrschluss, je weniger Welchselwirkungen es gibt, je geringer ist die Gravitation. Und da es immer eine Wechselwirkung gibt, gibt es auch immer eine Gravitation, so klein sie immer auch ist. Und die Wechselwirkungen kann man nicht abschirmen, denn auch der Versuch einer Abschirmung wäre ja eine Wechselwirkung. Ein nächster Schritt: Wenn also das Higgsfeld immer stets und ständig Masse "erzeugt" ist es ein wesentlicher Bestandteil der Größe der Gravitiation. Kann man so den Zusammenhang von Masse und Gravitiation errechnen? Ist das der Grund der Unterschiede in einem Gravitatiosfeld? (Der Unterschied in der Summe aller Wechselwirkungen.) Gibt es dort mehr Wechselwirkungen? Ist die Ursache einer Gravitationswelle vielleicht der Unterschied in der Summe aller Wechselwirkungen? Und haben wir das nicht immer schon gewusst? Gibt es also Wechselwirkungswellen. Interessant wäre hier, den Anteil der verschiedenen Wechselwirkungen an dieser Summe zu erhalten und zu wissen, welche Wechselwirkungen gaben den Ausschlag an der Entstehung der Gravitionswellen. Wenn es unterschiedliche Mengen der verscheidenen Wechselwirkungen in dieser Summe gibt, kann man dann nicht durch die Art und Größe der Gravitationswelle die Wechselwirkung ausrechnen, die sie verursacht hat. Meine Güte, ist das spannend. Schönen Abend noch.