Experimente an der TU Wien zeigen, dass Mess-Einfluss nicht immer Grund für Mess-Unsicherheit ist
Wien - Heisenbergs Unschärferelation ist wohl das berühmteste Fundament der Quantenphysik. Sie besagt, dass man nicht alle Eigenschaften von Quantenteilchen gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit bestimmen kann, zum Beispiel Ort und Impuls eines Teilchens gleichzeitig. Bisher wurde das meist dadurch begründet, dass eine Messung das Quantenteilchen eben notgedrungen verändert und dadurch andere Messungen verfälscht.
Neutronen-Experimente eines Teams rund um Yuji Hasegawa an der TU Wien haben nun gezeigt, dass die Sache aber nicht ganz so einfach ist. Die Forscher konnten verschiedene Beiträge zur Quanten-Unsicherheit aufschlüsseln und damit eine Theorie japanischer Kollegen bestätigen: Der Einfluss der Messung auf das Quanten-System ist nicht immer der Grund für die Mess-Unsicherheit. Heisenbergs Argumente für die Quanten-Unschärfe müssen also neu überdacht werden - die Unschärferelation selbst bleibt freilich bestehen, wie die Forscher im Fachjournal "Nature Physics" schreiben.
Gedankenexperiment
Heisenbergs Gedankenexperiment, in dem die Position eines Elektrons mit Licht
gemessen werden soll, ist vielfach bekannt: Um den Ort eines Teilchens sehr
genau zu bestimmen, muss man Licht mit sehr kurzer Wellenlänge verwenden. Je
kurzwelliger das Licht ist, desto größer ist aber auch seine Energie - wodurch
ein starker Impuls auf das zu messende Teilchen übertragen wird. Dieses erhält
also durch die Messung einen Schubs und ist dadurch nicht mehr an seinem
ursprünglichen Ort. Je genauer man den Ort messen will, umso dramatischer
verändert man den Impuls des Teilchens. Ort und Impuls sind daher nicht
gleichzeitig exakt messbar, argumentierte Heisenberg.
Dasselbe gilt in der Quantenphysik für viele andere Paare von Messgrößen.
Heisenberg und Generationen von Physikern nach ihm waren der Meinung, dass in
solchen Fällen eine genauere Messung der einen Messgröße immer eine Störung der
zweiten Messgröße nach sich zieht. Das Produkt aus der Ungenauigkeit der ersten
Messung und der Störung der zweiten Messung kann - so die bisherige Annahme -
eine gewisse Grenze nicht unterschreiten. "Wir haben aber gezeigt, dass man
unter ganz speziellen Voraussetzungen dieses ursprüngliche Heisenberg-Produkt
aus Ungenauigkeit und Störung auf Null bringen kann", so die Wiener
Experimentalphysikerin Jacqueline Erhart vom Atominstitut der TU Wien.
Beiträge zur Unschärfe
Denn es gibt unterschiedliche Beiträge zur Unschärfe: jene, die durch die
Messung entsteht und jene der grundlegenden Quanten-Unsicherheit, die in jedem
Quantensystem vorhanden ist. Die Unsicherheit liegt also auch in der
Quantennatur des Teilchens selbst begründet. In der Quantenwelt "weiß" das
Teilchen selbst einfach nicht, wo es sich genau befindet und wie schnell es ist
- völlig unabhängig davon, ob gemessen wird oder nicht. Im Jahr 2003 hat der
japanische Physiker Masanao Ozawa diese prinzipielle Unbestimmtheit und die
Störung durch die Messung in einer erweiterten Unschärferelation mathematisch
beschrieben.
In seinen Gleichungen stecken unterschiedliche "Sorten" von Unschärfe: Einerseits die Unsicherheit, die durch die Messung entsteht, weil sie in den Zustand des Systems eingreift und damit die andere Messung verfälscht. Das ist die Unsicherheit von Heisenbergs Ort-Impuls-Beispiel. Andererseits beinhalten die Gleichungen auch die grundlegende Quanten-Unsicherheit, die unabhängig von der Messung in jedem Quanten-System vorhanden ist.
Experimente
Erhart und ihren Kollegen Stephan Sponar und Georg Sulyok ist es nun erstmals
experimentell gelungen, die unterschiedlichen Beiträge zur Unschärfe zu messen
und voneinander zu unterscheiden. Sie verwendeten dazu nicht Ort und Impuls
eines Teilchens, sondern den sogenannten Spin von Neutronen aus dem
Forschungsreaktor des Atominstituts. Viele Teilchen verhalten sich ähnlich einem
kleinen Kreisel, als würden sie um sich selbst rotieren und dabei ein kleines
Magnetfeld erzeugen. Dabei kann aufgrund der Unschärferelation der Spin in
X-Richtung und der Spin in Y-Richtung nicht gleichzeitig genau gemessen werden - sie erfüllen eine Unschärferelation, ähnlich wie Ort und Impuls.
Durch magnetische Felder wurde der Spin der Neutronen in die richtige räumliche Orientierung gebracht, ihr Spin wurde in zwei aufeinander folgenden Messungen bestimmt. Durch kontrollierte Manipulationen des Messapparats konnte statistisch ermittelt werden, wie die unterschiedlichen Quellen der Unschärfe miteinander zusammenhängen.
Quelle der Unschärfe
"Nach wie vor gilt: Je exakter die erste Messung durchgeführt wird, desto
stärker wird die zweite Messung gestört - doch kann das Produkt aus
Ungenauigkeit und Störung beliebig klein gemacht werden, auch kleiner, als
Heisenbergs ursprüngliche Formulierung der Unschärferelation erlaubt", erklärte
TU-Professor Yuji Hasegawa in einer Aussendung der TU. Heisenbergs
Unschärferelation sei natürlich weiterhin richtig, man sollte nur mit seiner
Begründung vorsichtig sein: "Die Unschärfe kommt nicht vom störenden Einfluss
der Messung auf das Quanten-Objekt, sondern von der Quanten-Natur der Teilchen
selbst", so Hasegawa. (APA/red)
