Wenn Physiker Quantenfußball spielen, dann verstoßen sie gegen fast alle Regeln der klassischen Physik. Denn Objekte aus der Quantenwelt können sich an mehreren Orten gleichzeitig befinden. Scheinbar unüberwindbare Hindernisse werden einfach "durchtunnelt". So läßt sich niemals genau vorhersagen, wo sich der quantenmechanische Fußball gerade befindet und welche Flugbahn er einnimmt. Bereits beim simplen Schuß auf die Torwand fliegt der Ball durch beide Löcher gleichzeitig. Mit herkömmlichen Fußbällen wären solche Ballkünste nicht möglich. Wie kommt es, daß man mit Elektronen, Atomen und Molekülen Quantenfußball spielen kann, mit makroskopischen Objekten aber nicht - beanspruchen die Naturgesetze doch allgemeine Gültigkeit? Dieser Frage, die schon Generationen von Physikern beschäftigt hat, sind nun die Forscher um Anton Zeilinger von der Universität Wien nachgegangen. Dabei konnten sie erstmals verfolgen, wie fußballförmige Kohlenstoff-Moleküle den Übergang von der Quantenwelt in die Alltagswelt vollziehen.
Die Wiener Physiker sind wahre Meister in Sachen Quantenfußball, besonders wenn es darum geht, große Moleküle durch ein engmaschiges filigranes Gitter - gewissermaßen die Torwand - zu schießen und auszuloten, ob dabei die Gesetze der Quantenphysik befolgt werden. Während in der klassischen Welt jedes Teilchen seine definierte Flugbahn hat und somit durch einen bestimmten Spalt des Gitters fliegt, verhalten sich die Teilchen in der Quantenwelt wie Wellen, die sich kohärent überlagern. Hinter dem Gitter sieht man deshalb ein charakteristisches Interferenzmuster aus hellen und dunklen Bereichen, wie man es von Versuchen mit Lichtwellen kennt. Vor vier Jahren konnten Zeilinger und seine Kollegen bei Experimenten mit fußballförmigen Molekülen aus 60 Kohlenstoffatomen erstmals eine Interferenzerscheinung nachweisen. Inzwischen haben sie auch größere, rund zwei Nanometer messende Fullerene aus 70 Atomen und Biomoleküle auf ihre Torwand geschossen. Jedesmal mit dem gleichen Erfolg.
Experimente dieser Art sind allerdings kein leichtes Unterfangen, denn mit zunehmender Masse wird es immer schwieriger, die Welleneigenschaften nachzuweisen. Zudem bedarf es eines beträchtlichen Aufwands, große Objekte von den Einflüssen der Umgebung abzuschirmen, so daß sich die quantenmechanischen Materiewellen ungestört überlagern können. Schon die geringste Wechselwirkung eines Teilchens mit seiner Umwelt wie der Zusammenstoß mit anderen Atomen zerstört die Kohärenz, und das Interferenzmuster verschwindet. Das Teilchen verhält sich dann wie eine klassische Kugel. Die Physiker sprechen hierbei von Dekohärenz.
Statt mit noch größeren und komplexeren Molekülen die Grenzen der Quantenmechanik weiter auszuloten, untersuchten die Forscher um Zeilinger in ihrer jüngsten Arbeit, wie die Temperatur das Quantenverhalten der Moleküle beeinflußt. Wie bei den Experimenten vorher richteten sie dieses Mal einen Strahl von Fullerenen aus 70 Kohlenstoffatomen auf ein engmaschiges Gitter. Neu war, daß ein Laserstrahl die Moleküle vor dem Eintritt in das Interferometer kontrolliert bis auf 2700 Grad aufheizte. Die aufgenommene Energie gaben die Moleküle kurz darauf wieder als Wärmestrahlung ab.
War die Temperatur niedrig, etwa 700 Grad, dann verhielten sich die Fullerene wie quantenmechanische Wellen. Sie traten durch alle Spalte des zweiten Gitters gleichzeitig und überlagerten sich dahinter konstruktiv oder destruktiv, was anhand des Interferenzmusters nachweisbar war. Als die Intensität des Lasers und damit die Temperatur der Fullerene erhöht wurde, verschwand allmählich das Überlagerungsmuster, bis es bei etwa 2700 Grad nicht mehr zu sehen war. Das Flugverhalten der Kohlenstoffmoleküle glich nun offenbar demjenigen kleiner Fußbälle, die man auf eine Miniaturwand schießt.
Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Nature" (Bd. 427, S. 711) berichten, tauschen sich die heißeren Fullerene über ihre Wärmestrahlung stärker mit der Umgebung aus als kältere. Die ausgesandten Photonen übertragen ständig Informationen über den Aufenthaltsort der Moleküle an die Umgebung, wodurch jedes Teilchen auf einen bestimmten Ort festgelegt wird.
Die Wärmestrahlung, die sich nie ganz vermeiden läßt, ist somit eine Quelle von Dekohärenz. Während sie bei den Fußballmolekülen bei recht hohen Temperaturen auftritt, macht sich die Dekohärenz bei einem echten Fußball bereits bei Raumtemperatur bemerkbar. Das ist offenbar auch einer der Gründe, warum viele Quanteneffekte in der Alltagswelt unbeobachtet bleiben. Die Wiener Physiker sind aber zuversichtlich, daß sie auch bei Proteinen und Viren Quanteneigenschaften nachweisen können, wenn sie diese nur tief genug kühlen. manfred lindinger
