Physiker haben den Moment gefilmt, in dem ein Atom einer Quantenmessung unterzogen wird

Strontium-Ionenfalle (F. Pokorny et al.)

Bevor es beobachtet wird, ist ein Elektron ein heißes Durcheinander an Möglichkeiten. Genau wie bei der metaphorischen Schrödinger-Katze lässt sich ein Elektron erst dann an einer klaren Position um ein Atom platzieren, wenn wir den Deckel von seiner metaphorischen Schachtel anheben und genau hinsehen.

Wir haben uns nun genauer angeschaut, wie genau dieses Absetzen geschieht. Durch die Aufnahme einer Reihe von Schnappschüssen eines in einem elektrischen Feld gehaltenen Strontiumions hat ein Team von Physikern aus Schweden, Deutschland und Spanien herausgefunden, dass der Übergang eines Elektrons vom „Vielleicht“ zur „Realität“ keine Alles-oder-Nichts-Angelegenheit ist.

Seit fast einem Jahrhundert ist es ziemlich klar, dass das Universum, das wir in unserem täglichen Leben erleben, nicht ganz dem entspricht, das wir sehen, wenn wir versuchen, es aus der Nähe zu betrachten.



Eine außergewöhnliche Konsequenz der Seltsamkeit im Herzen der Physik besteht darin, dass Objekte nur mithilfe von Wahrscheinlichkeitssätzen, sogenannten Superpositionen, beschrieben werden können – bis wir sie mit Sonden anstechen und mit Licht bombardieren, um ihre Größe und Natur mit Sicherheit zu bestimmen.

In unserer klassischen Welt der Absolutheiten ist das schwer vorstellbar. Sogar der berühmte Physiker Erwin Schrödinger machte sich über die Idee lustig, als er sie zum ersten Mal hörte, und stellte eine Gedankenexperiment Darin ging es um eine imaginäre Katze, die gleichzeitig lebendig und tot war, bis wir hinsahen.

Nur durch das Öffnen der Kiste und das Beobachten wird das potenzielle Leben der Katze entweder aufrechterhalten oder ausgelöscht, zumindest in den Augen des Beobachters.

Schrödinger fand es albern, genau wie Einstein, aber seitdem ist es so Zeit angezeigt und wieder einmal, dass diese metaphorische Katze tatsächlich eine genaue Beschreibung der Funktionsweise der Physik ist.

Es bleibt die Frage, ob es so etwas wie eine ideale Quantenmessung gibt, eine, die Aspekte eines Systems messen kann, ohne dass seine gesamte Überlagerung zu einer endgültigen Antwort zusammenbricht.

In den 1940er Jahren war der amerikanisch-ungarische Mathematiker John von Neumann ging davon aus, dass die Messung eines Teils eines Quantensystems – etwa der Position eines Elektrons in einer Umlaufbahn – ausreichend Quantenrauschen erzeugen würde, um seinen probabilistischen Charakter aufzugeben.

Jahre später wurde ein deutscher theoretischer Physiker benannt Gerhart Lüders bestritt von Neumanns Annahmen und wies darauf hin, dass einige unentschlossene Eigenschaften der Möglichkeiten eines Teilchens bestehen bleiben könnten, während andere klar werden.

Obwohl die Physiker Lüders in der Theorie zustimmen, ist es nicht so einfach, dies experimentell zu demonstrieren, indem man sich darauf verlässt, bestimmte natürlich ablaufende Vorgänge so zu messen, dass sie sich nicht gegenseitig stören.

Die Forscher entschieden sich für ein Strontiumatom mit fehlenden Elektronen und fingen das Ion auf eine Weise ein, die es unklar macht, in welcher der beiden Umlaufbahnen sich die verbleibenden Elektronen befinden, so dass sie beide verschmieren.

Es handelt sich mehr oder weniger um den gleichen Aufbau, der bei vielen verwendet wird Quantencomputer . Ein Laser zwingt dann die Überlagerung von Elektronen im Ion dazu, sich zu bewegen, wobei die mögliche Verschiebung der Umlaufbahn durch die Erkennung des Lichts bestätigt wird, das emittiert wird, wenn das Elektron wieder an seinen Platz fällt.

Erst bei der Detektion des Lichts können wir die absolute Position des Elektrons als fixiert betrachten.

„Jedes Mal, wenn wir die Umlaufbahn des Elektrons messen, wird das Ergebnis der Messung sein, dass sich das Elektron entweder auf einer niedrigeren oder höheren Umlaufbahn befand, nie auf einer dazwischenliegenden Umlaufbahn.“ sagt Fabian Pokorny, Physiker der Universität Stockholm.

„Die Messung zwingt das Elektron gewissermaßen dazu, zu entscheiden, in welchem ​​der beiden Zustände es sich befindet.“

Das Einfangen zahlreicher Photonen, während das Strontiumion mit einem separaten Laser in verschiedene Zustände gedreht wird, lieferte dem Team ein Bild der Entwicklung des Prozesses, der über einen Zeitraum von einer Millionstelsekunde ablief.

Sie fanden heraus, dass der Übergang des Quantensystems vom Vielleicht zum Tatsächlichen keine absolute Angelegenheit ist. Aspekte davon können gemessen werden, beispielsweise der letzte Ruheplatz des Elektrons, während einige Merkmale seiner Überlagerung unberührt und unentschlossen bleiben. So wie Lüders argumentiert hatte.

„Diese Erkenntnisse werfen neues Licht auf das Innenleben der Natur und stehen im Einklang mit den Vorhersagen der modernen Quantenphysik“, sagt leitender Forscher Markus Hennrich, ebenfalls Physiker von der Universität Stockholm.

Darüber hinaus erfolgt dieser Wandel nicht augenblicklich. Durch die Aufnahme von Schnappschüssen des Atoms, während eines seiner Elektronen eine klare Umlaufbahn annimmt, zeigte das Team, dass es sich um einen sich entfaltenden Wandel handelt, als ob der Übergang von völliger Unsicherheit zu einer bestimmten Umlaufbahn eine Frage zunehmender Wahrscheinlichkeit und nicht eine plötzliche Entscheidung wäre.

Dies ist nicht das erste Experiment, das zeigt, dass Quantensprünge in der Möglichkeit eines Elektrons ein sich entfaltender Prozess wie „ der Ausbruch eines Vulkans ', statt eines Schalters. Aber es fügt der Art und Weise, wie diese Änderung zustande kommt, einige interessante Details hinzu, die solch ideale Messungen ermöglichen.

Leider sagt uns das alles nichts darüber, was der Übergang von Quantenmöglichkeiten in eine klare Messung im Großen und Ganzen bedeutet, geschweige denn, wie man sich Schrödingers arme Katze vorstellt, die geduldig in der Dunkelheit wartet.

Wir wissen nur, dass das Aufheben des Deckels über das arme Tier es nicht völlig seines Geheimnisses beraubt. Auch wenn das Risiko eines langsameren Todes besteht, als von Neumann es sich hätte vorstellen können.

Diese Forschung wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung .

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