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Klaziumionen in der Ionenfalle.

Die Quantenwelt zerstört sich selbst

Wie die sonderbaren Quantengesetze mit der klassischen Physik zusammengehen - diese Frage bereitet Physikern schon seit mehr als 100 Jahren Kopfzerbrechen. Experimente zeigen: Quantensysteme velieren ihre besonderen Eigenschaften von selbst, Störungen von außen sind dafür nicht notwendig.

Physik 09.09.2013

Die Physiker Technischen Universität (TU) Wien verwenden für ihre Experimente sogenannte Bose-Einstein-Kondensate. Diese entstehen unter bestimmten Bedingungen, sofern man eine Atomwolke auf nahezu den absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) abkühlt. Die Teilchen verlieren dabei völlig ihre Individualität und verhalten sich als gemeinsames Quanten-Objekt.

Die Studie

"Local emergence of thermal correlations in an isolated quantum many-body system", Nature Physics (8. September 2013; doi: 10.1038/nphys2739).

Im Experiment werden die Atome so präpariert, dass sie alle im gleichen Takt schwingen - so wie das etwa auch bei Lichtteilchen in einem Laser der Fall ist. Mit der Zeit nimmt diese Ordnung ab, die Atomwolke strebt einem thermischen Gleichgewicht mit großer Unordnung zu, in dem ihre quantenphysikalischen Eigenschaften nicht mehr sichtbar sind.

Atomwolke auf einem Chip

Dieser Übergang wird von den Wissenschaftlern gerne mit einem Eiswürfel verglichen, der in einem Wasserglas schmilzt. Von einem Zustand hoher Ordnung (Eis) geht er in ein thermisches Gleichgewicht über, in dem das gesamte Wasser im Glas eine einheitliche Temperatur hat.

Die Physiker um Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der TU Wien hielten die ultrakalten Wolken aus einigen tausend Atomen auf einem Atomchip "gefangen", um sie manipulieren zu können. "Das ist noch klein genug, um sie gut von der Umwelt abschirmen zu können, aber groß genug, um an ihnen zu studieren, wie Quanteneigenschaften verloren gehen", so der Hauptautor der Studie, Tim Langen.

Dazu wird eine Atomwolke auf dem Chip in zwei Hälften geteilt und beide nach einer gewissen Zeit miteinander verglichen. "Am Anfang präparieren wir einen Zustand, wo alle Punkte in den beiden Wolken perfekt gleich sind, alle Atome befinden sich in einem streng geordneten Quantenzustand", erklärt Langen. Weil es sich aber insgesamt um ein großes Objekt handelt, mit vielen Atomen, die miteinander wechselwirken - also wie hüpfende Bälle in einem Zimmer immer wieder aneinanderstoßen -, bleibt diese Ordnung nicht lange erhalten.

Inseln des Chaos breiten sich aus

Mit einer gewissen Geschwindigkeit beginnt sich Unordnung auszubreiten, die Atome verlieren zunehmend ihre Quanteneigenschaften. Dabei gibt es zu jedem Zeitpunkt klare Grenzen zwischen geordneten und ungeordneten Bereichen - Zonen, wo noch die ursprünglichen Quanteneigenschaften sichtbar sind und ungeordneten Zonen mit klassischen physikalischen Eigenschaften, denen man beispielsweise eine Temperatur zuordnen kann. Nach einiger Zeit hat die Unordnung die gesamte Atomwolke erfasst - wobei es "keiner Außenwirkung bedarf, um den Quantenzustand zu zerstören", so Langen.

"Wir wollen verstehen, wie in der Quantenmechanik so etwas wie Temperatur entstehen kann, weil es dieses Element der Unordnung, dieses Chaos im Prinzip nicht gibt", sagte Langen. Warum es in Systemen mit vielen Teilchen doch entsteht, verstehe niemand so richtig. Es wurden schon viele Mechanismen vorgeschlagen, das Problem sei aber, dass man bisher kaum Systeme hatte, den Übergang von der Quanten- zur klassischen Physik im Experiment untersuchen zu können.

Genau das ermöglichen die Experimente der Wiener Physiker: Die Atomwolken verhalten sich wie von der Außenwelt abgeschirmte "Mini-Universen", deren Verhalten sich nur durch ihre inneren Eigenschaften bestimmt.

Dies könnte auch helfen, die große Frage zu klären, warum unsere Welt nach den Regeln der klassischen Physik funktioniert, obwohl sie doch auf quantenphysikalischen Grundgesetzen beruht. Langen: "Es könnte durchaus sein, dass die klassische Welt bei vielen wechselwirkenden Teilchen alleine durch die Gesetze der Quantenmechanik entsteht - das zu klären ist das große Ziel."

science.ORF.at/APA

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