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Quantenphysik Der große Heisenberg irrte

Werner Heisenberg wollte seine berühmte Unbestimmtheitsbeziehung auch in den Störungen wiedererkennen, die ein Messung verursacht. Diesen Schluss haben kanadische Forscher widerlegt.

© Deutsche Post Vergrößern Werner Heisenberg und seine Unschärferelation sind sogar auf einer Briefmarke verewigt

Die von Werner Heisenberg 1927 formulierte Unschärfebeziehung ist trotz ihrer Tiefgründigkeit und Abstraktheit das wohl bekannteste Gesetz der Quantenphysik. Sie besagt vereinfacht, dass man nicht gleichzeitig die Geschwindigkeit und den Ort etwa eines Elektrons mit beliebiger Präzision bestimmen kann. Für die Popularität dieses Gesetzes hat vor allem eine ebenfalls von Heisenberg stammende bildhafte Erläuterung gesorgt, deren sich Lehrer und Wissenschaftler gerne zur Veranschaulichung des komplizierten Sachverhalts bedienen. Demnach sei es unmöglich, eine Messung auszuführen, ohne das Quantensystem dabei nachhaltig zu stören. Jeder Versuch, den Ort eines Elektrons präzise zu messen, führt laut Heisenberg dazu, dass sich auch dessen Geschwindigkeit verändert. Doch diese einfache Version der Unschärferelation ist offenbar nicht richtig, wie ein Experiment kanadischer Forscher nun zeigt.

Gedankenexperiment Röntgen-Mikroskop

Heisenberg hatte ein Gedankenexperiment - auch bekannt als Gammastrahlen-Mikroskop - ersonnen, in dem die Position eines Elektrons dadurch gemessen wird, dass man es mit Licht bestrahlt und die von dem Teilchen abgelenkten Photonen registriert. Die Ortsbestimmung wird umso präziser, je kürzer die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist. Weil damit jedoch der Rückstoß größer wird, den ein abgelenktes Photon dem Elektron erteilt, ändert sich entsprechend auch dessen Geschwindigkeit. Heisenberg schloss daraus: Je genauer man den Ort des Elektrons bestimmen will, desto stärker muss man zwangsläufig die Geschwindigkeit des Teilchens stören - eine Folgerung, die allem Anschein nach mit der Aussage der Unschärfebeziehung in Einklang steht. Dass die Sachlage nicht so ganz einfach ist, wie Heisenberg glaubte, vermutete im Jahr 2003 bereits Masanao Ozawa von der Universität Nagoya.

Erste Zweifel aus Japan

Der japanische Theoretiker zeigte, dass die Messgenauigkeit und die dabei auftretende Störung durchaus die Heisenberg-Beziehung verletzen können. Er formulierte selbst eine verallgemeinerte  Unschärferelation, die die Genauigkeit einer Positionsmessung und die Stärke der dadurch entstehenden Störung der Geschwindigkeit in Beziehung setzt. Im Gegensatz dazu macht Heisenbergs Unschärferelation eine Aussage über die Orts- und die Geschwindigkeitsunschärfe eines Elektrons, die spezifische Eigenschaften des quantenmechanischen Zustands des Teilchens sind, aber nichts mit Störungen bei einer Messung zu tun haben, wie Heisenberg aus seinem Gedankenexperiment folgerte. Was Ozawa vermutete, haben die Physiker um Aephraim Steinberg von der University of Toronto jetzt experimentell bestätigt.

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Experimente mit polarisierten Lichtquanten

Die kanadischen Forscher nahmen allerdings nicht Ort und Geschwindigkeit eines Elektrons unter die Lupe, sondern zwei verschiedene Polarisationszustände eines Photons. Das ändert nichts an der Aussagekraft des Experiments, da Heisenbergs Unschärferelation in abgewandelter Form auch für die Schwingungszustände von Lichtquanten gilt. Photonen können auf verschiedene Art polarisiert sein. So kann das mit einem polarisierten Photon einhergehende elektrische Feld zum Beispiel horizontal oder vertikal sowie in diagonaler Richtung oszillieren. Schließlich gibt es noch die Möglichkeit, dass sich das elektrische Feld schraubenförmig rechts oder links in Richtung der Flugbahn des Photons dreht. Man spricht dann von rechts- beziehungsweise linkszirkular polarisiertem Licht.

Steinberg-Experiment: Natur und Wissenschaft, Physik und Chemie © A. Steinberg et. al. Vergrößern Illustration des recht komplexen experimentellen Aufbaus.

So wie es nach Heisenbergs Unschärfebeziehung unmöglich ist, dass ein Elektron sich an einem bestimmten Ort befindet und zugleich eine bestimmte Geschwindigkeit hat, so kann auch ein Photon beispielsweise nicht mit Bestimmtheit horizontal und zugleich rechtszirkular polarisiert sein. Die Unschärfebeziehung besagt in diesem Fall, dass die lineare Polarisation des Photons umso ungenauer bestimmt ist, je präziser die zirkulare Polarisation festgelegt ist. Misst man für eine große Zahl von identischen Lichtteilchen, wie stark sie entweder zirkular oder linear polarisiert sind, so findet man, dass die Messergebnisse in einer Weise um ihren jeweiligen Mittelwert streuen und somit „Unschärfen“ aufweisen, die in Einklang mit der Unschärfebeziehung stehen.

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