Big Bang 7, Schulbuch

Fortgeschrittene Quantenmechanik 36 RG 7.2 G 7.2 Erweiterung Quantenphysik 91 36.3 Spukhafte Fernwirkung Verschränkte Quanten und EPR-Paradoxie Eine sehr absurde Eigenschaft der Quanten bezeichnet man als Verschränkung. Wenn man diese mit einer Überlagerung kombiniert, wird es noch einmal ein wenig absurder. Eine Besonderheit von Quanten ist, dass sich diese in Über- lagerungszuständen befinden können (Kap. 36.1, S. 87). Vor der Messung ist zum Beispiel ein radioaktives Atom sowohl zerfallen als auch nicht zerfallen oder der Spin eines Elek- trons nicht festgelegt und zeigt in alle möglichen Richtun- gen gleichzeitig. Erst durch die Messung kollabiert die Wellenfunktion, und man findet das Quant in nur einem Zu- stand (Abb. 36.17). Dass der Spin eines Elektrons vor der Messung tatsächlich nicht festgelegt ist, kann man ganz einfach belegen. Wenn man die Magneten senkrecht anord- net (a), dann zeigt der Spin hinauf oder hinunter. Wenn man sie aber waagrecht anordnet (b), dann zeigt der Spin hinein oder hinaus. Erst die Anordnung der Magneten legt die bei- den möglichen Richtungen fest! Absurd! Abb. 36.17: Den Spin eines Elektrons kann man mit Hilfe eines Magnet- feldes messen. Die Ablenkung erlaubt einen Rückschluss auf die Spinrichtung. Vor der Messung ist der Elektronenspin noch nicht festgelegt. Eine weitere Eigenschaft der Quanten ist, dass man sie ver- schränken kann. Damit meint man, dass bestimmte Eigen- Was ist der Elektronenspin? Lies nach in Kap. 34.4, S. 73! Was versteht man unter Drehimpulserhaltung? Lies nach in Kap. 17.4, „Big Bang 6“! Welches ist die größte Geschwindigkeit, mit der man Daten von einem Ort zum anderen übertragen kann? Du hast zwei Münzen in der Hand und wirfst sie auf den Boden. Welche Möglichkeiten gibt es, wie die beiden Münzen auf Kopf und Zahl fallen können? F8 W1 F9 W1 F10 W1 Abb. 36.16: Doppel- Münzenwurf schaften von zwei oder mehreren Quanten nicht mehr unab- hängig voneinander sind, zum Beispiel ihr Spin oder ihre Polarisation. Wenn man Überlagerungszustände und Ver- schränkung miteinander kombiniert, dann erhält man ein ziemlich paradoxes Ergebnis, das E INSTEIN einmal als „spuk- hafte Fernwirkung“ bezeichnet hat. Sehen wir uns diesen Spuk näher an. Info: Aus eins mach zwei Aus eins mach zwei Man kann im Prinzip alle Quanten beziehungsweise deren Eigenschaften verschränken, also etwa Elektronen oder sogar Atome. Am häufigsten werden Photonen verschränkt, unter anderem deshalb, weil sie sich mit Lichtgeschwin- digkeit ausbreiten und weil man sie mit Glasfaserkabeln (Abb. 35.25, S. 85) über weite Strecken transportieren kann. Die gängigste Methode zur Erzeugung verschränkter Quan- ten besteht darin, UV-Licht durch einen speziellen Kristall zu schicken (Abb. 36.18). Hin und wieder zerfällt dabei eines der UV-Photonen in zwei rote Photonen mit halber Frequenz. Die Polarisationen dieser beiden neuen Photonen sind ver- schränkt: Ist das eine vertikal polarisiert, muss das andere horizontal polarisiert sein und umgekehrt (siehe Infobox Gartenzaun, S. 93). Eine theoretische Möglichkeit, die sich sehr gut für Gedan- kenexperimente eignet (siehe EPR-Paradoxie, S. 92), ist folgende: Man lässt ein Teilchen mit Spin 0 in zwei Teilchen mit Spin 1/2 zerfallen, zum Beispiel in 2 Elektronen (Abb. 36.18). Auf Grund der Drehimpulserhaltung müssen deren Spins immer in die Gegenrichtung zeigen: 1/2 + (– 1/2) = 0 ( F8 ). Die Spins der Teilchen sind nicht un- abhängig voneinander und somit verschränkt. i Abb. 36.18: Spezielle Kristalle können aus einem energiereichen Pho- ton zwei verschränkte Photonen mit halber Frequenz und somit halber Energie machen. Abb. 36.19: Ein Teilchen mit Spin 0 (a) zerfällt in zwei Teilchen mit Spin 1 _ 2 . Bei einer Messung der Spins gibt es nur zwei Möglichkeiten (b und c), weil die Spins immer ge- gengleich sein müssen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv