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Saturday Morning Physics
Die seltsame Welt der Quanten –Wie spielt Gott sein Würfelspiel?
12. 11. 2005
Gernot Alber und Gerhard BirklInstitut für Angewandte Physik
Technische Universität Darmstadt
[email protected]@physik.tu-darmstadt.de
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Auf dem Weg zur Welt der Atome und Photonen
Unsere Erfahrungswelt ist großteils bestimmt durch Atome.
Photonen erlauben uns den Informations-austausch mit der Quantenwelt.
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• Quantisierung physikalischer Größen
Charakteristische Quantenphänomene
• Quanteninterferenz und Materiewellen
• Zufall ist irreduzibel
Übersicht - Die seltame Welt der Quanten
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• Quantisierung physikalischer Größen
Charakteristische Quantenphänomene
• Quanteninterferenz und Materiewellen
• Zufall ist irreduzibel
Übersicht - Die seltame Welt der Quanten
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Der Weg zur Quantisierung
Die Spektroskopie liefert uns Informationen über den Aufbau der Atome.
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Spektrum einer Glühlampe
Das Spektrum einer thermischen Lichtquelle (Glüh-lampe, Schwarzer Körper) ist kontinuierlich.
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Spektrum des Sonnenlichtes
Joseph von Fraunhofer
erkannte, dass im Sonnen-
spektrum dunkle Linien sind.
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Spektrum des Sonnenlichtes
Kaltes Gas auf der Sonnenoberfläche oder zwischen Sonne und Erde absorbiert Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen.
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Spektrum des Sonnenlichtes
Die Absorptionswellenlängen sind diskret und charakteristisch für die chemischen Elemente.
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Emissionsspektren von chemischen Elementen
Bei Erhitzen emittieren chemische Elemente Licht.
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Emissionsspektren von chemischen Elementen
Jedes chemische Element zeigt spezifische diskrete Absorptions- und Emissionswellenlängen.
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Balmer-Formel für Wasserstoffspektrum
λ = hm2/(m2-n2)m,n: ganze Zahlen
Johann Balmer(1825 - 1898)
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Atome besitzen diskrete Energieniveaus
Erklärung:
Atome besitzen diskrete Energie-niveaus.
Absorption und Emission führen zum Übergang zwischen diskreten Energieniveaus.
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Atome besitzen diskrete Energieniveaus
Jedes Energieniveau entspricht einer bestimmten Form der Verteilung der Elektronenwolke um den Atomkern.
Absorption und Emission ändern Elektronenverteilung.
Erwin Schrödinger(1887 - 1961)
Niels Bohr(1885 - 1962)
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Atome besitzen diskrete Energieniveaus
Jedes Energieniveau entspricht einer bestimmten Form der Verteilung der Elektronenwolke um den Atomkern.
Absorption und Emission ändern Elektronenverteilung.
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• Quantisierung physikalischer Größen
Charakteristische Quantenphänomene
• Quanteninterferenz und Materiewellen
• Zufall ist irreduzibel
Übersicht - Die seltame Welt der Quanten
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Materie hat Teilchencharakter
In der klassischen Physik besitzt Materie reine Teilcheneigenschaften.
Beispiel: Kochsalz
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Welleneigenschaften von Licht
Interferenz am Doppelspalt:Interferenzexperiment beweist Wellencharakter
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Materiewellen
Kann Materie auch Wellencharakter haben?UND: Was sind Materiewellen
Louis de Broglie(1892 - 1987)
Was sind Materiewellen ?
Welle-Teilchen-DualismusWir detektieren Teilchen, aber sieverhalten sich wie Wellen
Quantenphysik
Klassische Physik
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Elektronenbeugung an Graphit
Graphit
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Welleneigenschaften von Materie
Interferenz von Elektronenwellen am Graphitkristall
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Welleneigenschaften von Materie
Interferenz von Elektronenwellen am Graphitkristall
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Welleneigenschaften von Materie
Interferenz von Elektronenwellen am GraphitkristallMaterie zeigt auch Welleneigenschaften !!
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Welleneigenschaften von Materie
Interferenz von Elektronenwellen am GraphitkristallMaterie zeigt auch Welleneigenschaften !!
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Welleneigenschaften von Materie
Interferenz von Elektronenwellen am GraphitkristallMaterie zeigt auch Welleneigenschaften !!
Was sind Materiewellen ?
Welle-Teilchen-DualismusWir detektieren Teilchen, aber sieverhalten sich wie Wellen
Quantenphysik
Klassische Physik
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Sichtbarmachung von Welleneigenschaften
Wellenausbreitung
Licht
Schall
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Wellenlänge von Materiewellen
Experimente erfordern große Wellenlängen� Kühlen
von Atomen
Ludwig Boltzmann(1844 - 1906)
Materiewellen
ThermischeEnergie
KinetischeEnergie
Raumtemperatur
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Materiewellen mit großer Wellenlänge
Experimente erfordern große Wellenlängen� Wir nehmen die kälteste bisher erzeugte Materie
Bose-Einstein-Kondensat
Lowest Manmade Temperature
The lowest manmade temperatureachieved so far is 450 picokelvin. It was achieved by a team of scientists... and W. Ketterle. ... At such lowtemperatures, matter takes on a newstate called a Bose-Einstein condensate
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Bose-Einstein-Kondensation CarlWieman
EricCornell
WolfgangKetterle
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Bose-Einstein-Kondensation
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BEC phase transition
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50 µm
Doppelspaltversuch mit Bose-Einstein-Kondensat
Durch einen zusätz-lichen abstoßenden Laserstrahl können aus einem BEC zwei gemacht werden.
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Interference patternInterferenz von zwei Bose-Einstein-Kondensaten
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moderne Quantentheorie (1925)Heisenberg, Schrödinger, Dirac
weder Teilchen noch Wellen sondern Quanten
� Wahrscheinlichkeiten wie Intensitäten von Wellen
• Quantisierung physikalischer Größen
technologische AnwendungenQuantenkryptografie und Quantencomputer
Charakteristische Quantenphänomene
• Quanteninterferenz
• Zufall ist irreduzibel
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• Quantisierung physikalischer Größen
Charakteristische Quantenphänomene
• Quanteninterferenz und Materiewellen
• Zufall ist irreduzibel
Übersicht - Die seltame Welt der Quanten
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Gott würfelt nicht! Wollen sie Gott etwa vor-schreiben, was er zu tun hat?
Die Einstein-Bohr Debatte und der Quantenzufall
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magnetisches Moment des Elektrons (Spin) im Magnetfeld
Experiment von Stern und Gerlach (Frankfurt,1928)
Seltsamer Quantenzufall
Otto Stern
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Ein Spin-1/2 Quant im Stern-Gerlach Experiment
Spin in Richtung des Magnetfeldes – 2 Werte (Quantisierung)
P+ = 1
P_ = 0
Messung bestätigt den Zustand
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Verallgemeinertes Stern-Gerlach Experiment
Messungen können einen Quantenzustand ändern !
P+ = 1/2
P_ = 1/2
Anwendungen?
(ähnlich wie bei Polarisationsmessungen an einzelnen Photonen)
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Die erste quantenmechanisch verschlüsselte BanküberweisungWien, 21. April 2004, Anton Zeilingers Gruppe
Quantenkryptografie
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Zusammenfassung - Ausblick
Charakteristische QuantenphänomeneQuantisierung - Quanteninterferenz - irreduzibler Zufall
Widerspruch mit Grundkonzepten der klassischen Physik
Experimentelle Kontrolle von Quantensystemen ���� Quantentechnologie• Quantenkryptografie • Quantencomputer
Die seltsame Welt der Quanten –Wie spielt Gott sein Würfelspiel?