Licht ist ein Quantenobjekt.

Gib zwei Bedingungen an, unter denen Licht bei diesem Doppelspaltversuch ein beobachtbares Interferenzmuster erzeugt.

Gib ein weiteres Beispiel für Quantenobjekte an.

Skizziere eine für Interferenz typische Intensitätsverteilung, wie sie bei diesem Versuch auf dem Schirm beobachtet werden kann.

Skizziere außerdem die Intensitätsverteilung, die entsteht, wenn im selben Aufbau registriert wird, durch welchen der beiden Spalte sich die Quantenobjekte bewegen.

Bei einem Doppelspaltversuch wurde die Wellenlänge von Licht gemessen.

Berechne die Energie dieser Photonen.

Erläutere, wie durch ein Doppelspaltexperiment der stochastische Charakter von quantenphysikalischen Messergebnissen veranschaulicht werden kann.

Die Moleküle haben, wenn sie in die Versuchskammer geschossen werden, eine Geschwindigkeit von

Berechne die de-Broglie-Wellenlänge dieser Moleküle.

Begründe, dass der Aufbau in M 10 mit einem Spaltabstand von bei diesen Molekülen kein Interferenzbild erkennen lässt.

Gib an, was unter dem Konzept Welle-Teilchen-Dualismus verstanden wird.

Statt des einfachen Aufbaus in M 10 verwendete die Forschungsgruppe ein spezielles Talbot-Lau-Interferometer, das auch für deutlich kleinere Wellenlängen als die Gitterkonstante Interferenz beobachten lässt. Die verwendeten Gitter hatten eine Gitterkonstante von Das Hauptergebnis des Versuchs ist in Abbildung 14 in M 12 dargestellt.

Interpretiere das Diagramm in Bezug auf die im Artikel in M 12 genannte Dekohärenztheorie.

Der Autor einer populärwissenschaftlichen Internetseite vergleicht einen ähnlichen Versuch mit dem Schießen von Fußbällen auf eine Torwand mit zwei Löchern.

Erläutere, dass dabei keine Interferenz beobachtet werden kann. Geh dabei auch auf die Erkenntnisse der Forschungsgruppe in M 12 ein.

Auf einem Fußballplatz finden zwei Trainingsspiele nebeneinander statt.

Beschreibe, welche Effekte zu beobachten wären, wenn sich die beiden verwendeten Fußbälle wie verschränkte Quantenobjekte verhalten würden.

Bewerte die Würdigung Anton Zeilingers mit dem Nobelpreis. Berücksichtige dabei auch frühere Nobelpreise (siehe M 13).

• Kohärenzbedingungen

• Wellenlänge in der Größenordnung des Spaltabstands

Ein weiteres Beispiel für Quantenobjekte sind z.B. Elektronen.

Typische Intensitätsverteilung ohne Detektor

Intensität mit Detektor

oder

Für die Energie der Photonen gilt Einsetzen ergibt:

Wird ein Doppelspaltversuch mit wenigen Quantenobjekten pro Zeiteinheit über einen längeren Zeitraum hinweg durchgeführt, so kann Folgendes gezeigt werden:

• Das einzelne Quantenobjekt trifft an einem scheinbar zufälligen Ort auf dem Schirm auf.

• Erst bei der Betrachtung vieler Quantenobjekte fällt auf, dass an bestimmten Orten des Schirms mehr Quantenobjekte detektiert werden als an anderen Orten. Die Verteilung der Quantenobjekte auf den Schirm hat also eine Häufigkeitsverteilung.

Die Messung, wo die Quantenobjekte auf dem Schirm landen, ist also insofern stochastisch, als dass ein bestimmter Ort des Detektors mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit von den Quantenobjekten getroffen wird.

Berechnen der De-Broglie-Wellenlänge

Für die De-Broglie-Wellenlänge gilt Durch Einsetzen ergibt sich somit:

Begründen, dass der Aufbau kein Interferenzbild erkennen lässt

Die Wellenlänge ist mit viel kleiner als der Spaltabstand von Der Abstand der Maxima im Interferenzbild ist dann so klein, dass einzelne Maxima nicht mehr unterschieden werden können. Das Interferenzbild ist somit nicht mehr als solches zu erkennen.

Hinweis: Der Abstand der Maxima beträgt auf einem entfernten Schirm ca.

Quantenobjekte sind weder Welle noch Teilchen, sondern zeigen je nach Präparation des Experimentes Eigenschaften von Wellen oder von Teilchen.

Die im Artikel dargestellte Dekohärenztheorie besagt, dass durch die Wechselwirkung von Quantenteilchen mit ihrer Umwelt die Kohärenz der Quantenteilchen, d. h. ihre Fähigkeit zur Interferenz, wegfällt. Im beschriebenen Experiment besteht die Wechselwirkung mit der Umwelt aus Stößen mit anderen Molekülen.

Abbildung 14 zeigt, dass die Ausprägung des Interferenzbildes mit wachsendem Druck des Methan-Gases sinkt. Das bedeutet: Je mehr Methan-Moleküle in der Kammer sind und je mehr Stöße der Moleküle mit den Methan-Molekülen stattfinden, desto mehr Moleküle verlieren ihre Kohärenz und desto weniger Moleküle verbleiben, die interferieren können.

Die im Artikel dargestellte Dekohärenztheorie wird durch das Experiment somit bestätigt, da die Stöße als Wechselwirkung zum Verlust von Kohärenz führen.

Fußbälle sind um viele Größenordnungen schwerer als Moleküle und haben folglich einen viel größeren Impuls und somit eine viel kleinere Wellenlänge. Eine Torwand mit zwei Löchern als Doppelspalt hat einen viel größeren Spaltabstand als die im Experiment der Forschungsgruppe verwendeten Gitter. Die Bedingung „Wellenlänge in der Größenordnung des Spaltabstandes" ist somit nicht erfüllt.

Außerdem ist der Luftdruck mit ca. sehr viel größer als der maximale Druck von im Experiment. Selbst wenn die geometrischen Verhältnisse beim Torschuss ein erkennbares Interferenzmuster entstehen lassen könnten, so verlieren die Fußbälle durch Stöße mit Luftmolekülen ihre Kohärenzfähigkeit.

Wenn sich die beiden verwendeten Fußbälle wie verschränkte Quantenobjekte verhalten würden, würden sich bei Beobachtung korrelierte Ergebnisse zeigen: Wird bei einem Ball festgestellt, dass er ins Tor geht, ist im selben Augenblick der Zustand des anderen Balls (z.B. ebenfalls „Tor“) determiniert, ohne dass eine klassische Signalübertragung stattgefunden hat. Verschränkte Eigenschaften der Fußbälle könnten aber auch der Drall, Flugrichtung und -geschwindigkeit oder aber innere Schwingungen sein.

Beispiel für eine Bewertung:

Die Verleihung des Nobelpreises an Anton Zeilinger ist gerechtfertigt, da er durch seine Experimente eine fundamentale Vorhersage der Quantenphysik empirisch untermauert hat. Ein Blick auf die Geschichte der Nobelpreisträger verdeutlicht, dass sowohl die theoretische Pionierarbeit als auch der experimentelle Nachweis als preiswürdig gelten – ein klassisches Beispiel hierfür sind die Auszeichnungen in den Jahren 1949 und 1950 im Bereich der Mesonen-Forschung.

Dabei ist eine direkte Alltagstauglichkeit der Forschung keine zwingende Voraussetzung für die Vergabe. Während Entdeckungen aus den Jahren 2000 oder 2009 tatsächlich zu konkreten Anwendungen in unserem täglichen Leben führten, trifft dies längst nicht auf alle geehrten Leistungen zu. Die Würdigung der Entdeckung eines Pulsars in einem Doppelsternsystem zeigt deutlich, dass der wissenschaftliche Erkenntnisgewinn schwerer wiegt als die unmittelbare Relevanz für den Alltag.

Zeilingers Arbeit fügt sich somit nahtlos in die Tradition des Nobelpreises ein, der den wissenschaftlichen Durchbruch an sich feiert – unabhängig davon, ob dieser direkt in eine neue Technologie mündet oder „nur“ unser Verständnis des Universums erweitert.