Standort: science.ORF.at / Meldung: "Die Natur ist unscharf"

Klaziumionen in der Ionenfalle.

Die Natur ist unscharf

Ort und Impuls eines Teilchens kann man nicht gleichzeitig exakt bestimmen, da die Messung das Ergebnis stört: So lautet die Heisenbergsche Unschärferelation. Wiener Physiker haben nun aber in einem Experiment gezeigt, dass es nicht erst die Messung ist, die Unschärfe erzeugt - die Natur der Quanten selbst ist unscharf.

Physik 16.01.2012

Die Unschärferelation bleibt freilich bestehen, versichert die Forschergruppe um Yuji Hasegawa von der Technischen Universität (TU) Wien in einer Studie.

Die Studie:

"Experimental demonstration of a universally valid error-disturbance uncertainty relation in spin measurements" von Jacqueline Erhart und Kollegen ist in "Nature Physics" erschienen.

Das Heisenbergsche Unschärfeprinzip

Heisenbergs Gedankenexperiment, in dem die Position eines Elektrons mit Licht gemessen werden soll, ist 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.

Unsicherheit in der Quantennatur

"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.

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.

Spin von Neutronen untersucht

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. Durch ausgeklügelte Experimente konnten die Wissenschaftler statistisch ermitteln, wie die unterschiedlichen Quellen der Unschärfe miteinander zusammenhängen.

Relativierung von Heisenberg

"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 Quantenobjekt, sondern von der Quantennatur der Teilchen selbst", so Hasegawa.

science.ORF.at/APA

Mehr zu dem Thema: