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Fußball in der Quantenwelt : Jeder Schuss ein Treffer

Selbst massive und äußerst komplexe Moleküle können einen quantenmechanischen Überlagerungszustand annehmen: Künstlerische Darstellung von zwei miteinander interferierenden Phenylporphyrin-Molekülen aus jeweils mehr als 2000 Atomen. Bild: Yaakov Fein, Universität Wien

Wo endet die Quantenwelt mit ihren bizarren Regeln? Jetzt schweben sogar Moleküle aus 2000 Atomen in jenem Zwitterzustand, den man bei Photonen, Elektronen und Atomen beobachten kann.

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          Wenn Quantenphysiker im Labor Fußball spielen, verstoßen sie nach Strich und Faden gegen alle Regeln der klassischen Physik. Denn sie wissen nie so genau, wo sich ihr Ball gerade befindet und welche Flugbahn er eingeschlagen hat. Schon beim Schuss auf die Torwand erleben sie deshalb eine Überraschung: Der Ball fliegt stets durch beide Löcher gleichzeitig, selbst wenn man noch so genau gezielt hat. Mit herkömmlichen Fußbällen sind derartige Ballkünste kaum vorstellbar – zumindest hat man dergleichen noch niemals beobachten können.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Für Elektronen, Atome und Moleküle sind solche Erscheinungen dagegen der Normalfall. Denn jedes Quantenobjekt pflegt bekanntlich ein Zwitterdasein. Es verhält sich mal wie ein Teilchen oder mal als Welle. Schießt man die kleinsten Teilchen durch ein engmaschiges filigranes Gitter – gewissermaßen die Torwand –, taucht dahinter ein charakteristisches Interferenzmuster aus hellen und dunklen Bereichen auf, wie man es von Versuchen mit sich überlagernden Lichtwellen kennt. Doch wie kommt es, dass man in der Mikrowelt „Quantenfußball“ spielen kann, in der Alltagswelt nicht – obwohl die Gesetze der Quantenphysik doch allgemeine Gültigkeit haben? Und bis zu welcher Teilchengröße machen sich Quanteneffekte noch bemerkbar? Diese Fragen, über die schon die Väter der Quantenphysik Albert Einstein, Niels Bohr und Erwin Schrödinger hitzige Debatten führten, warten bis heute auf eine klare Antwort. Mit immer ausgefeilteren Experimenten versuchen die Forscher, die Grenze zur klassischen Welt weiter auszuloten. Und das offenkundig mit Erfolg, wie in „Nature Physics“ berichtet wird.

          Riesenmolekül in der Quantenwelt

          So ist es Wiener Physikern um Markus Arndt jetzt gelungen, noch bei einem organischen Molekül, das aus zweitausend Atomen besteht, deutliche Interferenzeffekte zu beobachten. Das Versuchsobjekt – ein mit 60 Seitenketten ausgestattetes Tetraphenylporphyrin – ist mit einem Durchmesser von fünf Nanometern ein Riese in der Quantenwelt und mit einer Masse von rund 25.000 Wasserstoffatomen ein Schwergewicht obendrein.

          Das größte Molekül, dem die Wiener Physiker bislang einen klaren Wellencharakter bescheinigen konnten, bestand aus 400 Atomen. Experimente mit solch großen Teilchen sind kein leichtes Unterfangen. Denn je massereicher und größer die Objekte werden, desto schwieriger wird es, die Welleneigenschaften nachzuweisen. Die Wellenlängen betragen nur einen Bruchteil des Molekül-Durchmessers.  Schon geringste Umwelteffekte wie Stöße mit einzelnen Gasatomen oder die Erdrotation können hier die quantenmechanische Überlagerung der Materiewellen zerstören. Das System kehrt schnell in die klassische Welt zurück.

          Und so kam auch schon nach sieben Millisekunden der Schlusspfiff beim jüngsten Quantenfußballspiel in Wien. So wird man wohl noch sehr lange warten müssen, bis tatsächlich mal ein echter Fußball durch die beiden Löcher einer Torwand fliegt.

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