Lange Zeit glaubte man, dass die Gesetze der Quantenmechanik nur für winzige Objekte wie Photonen gelten. Physiker haben jedoch bewiesen, dass sehr große Körper (nach den Maßstäben der molekularen Welt) diese Regeln befolgen können.
Sie haben wahrscheinlich mehr als einmal von dem Gedankenexperiment gehört, das der österreichische Physiker Erwin Schrödinger formuliert hat - das mit einer Katze, einer Kiste und einem radioaktiven Isotop. Gemäß den experimentellen Bedingungen kann eine Katze gleichzeitig tot und nicht tot sein, das heißt, sie befindet sich in einem Zustand einer Art Quantenunsicherheit - "Überlagerung". Nun, die Wissenschaftler haben keine Katzen in Kisten gelegt, sondern nur das gleiche Experiment mit einem riesigen Molekül von 2.000 Atomen durchgeführt.
Die Quantenüberlagerung wurde unzählige Male an kleinen Systemen getestet, und Physiker haben erfolgreich gezeigt, dass sich einzelne Teilchen gleichzeitig an zwei Orten befinden können. In einem ähnlichen Maßstab wurde diese Art von Experiment jedoch noch nie zuvor durchgeführt.
Dieses Experiment ermöglicht es Forschern, Hypothesen der Quantenmechanik zu verfeinern und besser zu verstehen, wie dieser mysteriöse Zweig der Physik tatsächlich funktioniert - und wie sich die Gesetze der Quantenmechanik mit den traditionelleren Gesetzen der klassischen Physik in größerem Maßstab verbinden. "Unsere Ergebnisse zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit der Quantentheorie und können nicht mit der klassischen Physik erklärt werden", argumentieren die Forscher in ihrer Arbeit.
Die neue Forschung umfasst insbesondere die Schrödinger-Gleichung, die beschreibt, wie sich auch einzelne Teilchen wie Wellen verhalten und an mehreren Stellen gleichzeitig auftreten können. Der einfachste Weg, ihre Wechselwirkung zu beschreiben, ist wie Wellen in einem Teich, in den Sie mehrere Steine gleichzeitig geworfen haben.
Um ihre Hypothese zu beweisen, haben die Wissenschaftler ein Experiment mit zwei Schlitzen durchgeführt - eine Erfahrung, die Quantenphysikern bekannt ist. Es besteht normalerweise darin, einzelne Lichtteilchen (Photonen) durch zwei Schlitze zu projizieren. Wenn die Photonen nur wie Teilchen wirken würden, würde die resultierende Lichtprojektion auf die andere Seite nur einen Streifen zeigen. In Wirklichkeit zeigt das auf die andere Seite projizierte Licht ein Interferenzmuster - viele Bänder, die wie Wellen interagieren. Wie Sie sehen können, erfordert der Beweis nicht einmal supersensible Hardware.
Versuchsschema.
Es scheint uns, dass sich die Photonen gleichzeitig an zwei Orten befinden, wie Schrödingers Katze. Aber wie viele Menschen wissen, befindet sich eine Katze in zwei Zuständen, bis sie einen externen Beobachter hat. Wenn die Schachtel geöffnet wird, wird der Zustand der Katze sicher - sie lebt oder ist tot.
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Bei Photonen ist es genauso. Sobald das Licht direkt von einer Person gemessen oder beobachtet wird, verschwindet die Überlagerung und der Zustand des Photons ist festgelegt. Dies ist eines der Hauptgeheimnisse im Herzen aller Quantenmechanik.
Die Forscher wiederholten das Experiment mit zwei Schlitzen, aber anstatt Photonen zu verwenden, verwendeten sie Elektronen, Atome und kleine Moleküle. Aber jetzt haben Physiker gezeigt, dass riesige Moleküle denselben Regeln folgen! Das Team verwendete riesige Ansammlungen von Atomen aus 2.000 "Teilen", um Quanteninterferenzmuster zu erzeugen, als ob sie sich wie Wellen verhalten und sich gleichzeitig an mehr als einem Ort befinden.
Diese kolossalen Moleküle sind als "an Fluoralkylsulfanylketten angereicherte Oligotetraphenylporphyrine" bekannt, und einige von ihnen hatten die 25.000-fache Masse an Wasserstoffatomen. Mit zunehmender Größe der Moleküle werden sie jedoch auch weniger stabil, sodass Wissenschaftler sie mit einem neu entwickelten Gerät - einem Wellenmaterie-Interferometer - jeweils nur sieben Millisekunden lang stören konnten. Auch Faktoren wie die Erdrotation und die Anziehungskraft der Atome selbst mussten berücksichtigt werden. Die Arbeit hat sich gelohnt.
Wir wissen jetzt, dass die Regeln der Quantenmechanik nicht nur für winzige Objekte wie Photonen gelten, sondern auch für viel größere Körper. Die vorherige Aufzeichnung war ein Molekül mit nur 800 Atomen - es wurde angenommen, dass dies die Grenze ist, nach der anstelle der Gesetze der Quantenphysik die Gesetze der klassischen Physik zu wirken beginnen. Dies ist jedoch nicht das Ende: Das Team ist zuversichtlich, dass es sehr bald einen neuen Rekord aufstellen kann.
Wassili Makarow
