Wo endet die Quantenwelt?

Immer größere Objekte vermögen Forscher in seltsame Quantenzustände zu versetzen. Den Weltrekord hält ein Physiker der Uni Wien mit einem Molekül aus 810 Atomen. Die Grenze des Machbaren scheint noch nicht erreicht - gibt es überhaupt eine Grenze?

In seltenen Fällen gelingt Forschern der große Wurf ganz zu Beginn ihrer akademischen Karriere. Bisweilen sogar, noch bevor diese überhaupt begonnen hat. So etwa bei Louis de Broglies: Der französische Physiker wurde 1929 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet - für eine Theorie, die er fünf Jahre zuvor in seiner Dissertation formuliert hatte. Sie besagt: Nicht nur Licht ist eine Welle, sondern jede Form der Materie.

„Das kann ich nicht glauben!“

Die Theorie der Materiewellen wurde kurz darauf an Elektronen, später auch an anderen Atombausteinen nachgewiesen. 2013 gelang einem Physiker aus Wien eine erneute Bestätigung de Broglies’ - diesmal allerdings in einer völlig neuen Dimension. „Wir haben die Arbeit damals bei einem sehr renommierten Chemie-Journal eingereicht“, erzählt Markus Arndt, Experimentalphysiker an der Uni Wien. „Doch das Experiment sprengte die Vorstellungskraft der Chemiker. Einer sagte: ‚Das kann ich nicht glauben, das darf man nicht drucken, das ist bestimmt falsch!‘“

Markus Arndt im Labor
Arndt Group / Universität Wien
Hier lernen Moleküle das Fliegen: Markus Arndt im Labor.

Was die Vorstellungskraft der Chemiker überforderte, war eine moderne Version des berühmten Doppelspaltexperiments. Ein Versuch, mit dem bereits in historischen Zeiten gezeigt wurde, dass Licht eine eigenartige Doppelnatur besitzt: Es tritt mal als Teilchen, mal als Welle auf. Und als Welle besitzt es die Fähigkeit, durch zwei Schlitze, den Doppelspalt, gleichzeitig hindurchzuwandern - wohlgemerkt ohne, dass sich ein Photon dabei teilen würde.

Ö1-Sendungshinweis

„Magie im Makrokosmos. Oder: Wo endet die Quantenwelt?“, Dimensionen, 9.5. 19:05 Uhr.

Ein Riesenmolekül als Welle

Das ist paradox. Aber die Physiker haben mittlerweile akzeptiert: Widersprüche sind in der Quantenwelt Programm. Wer sich mit den Quanten einlässt, gibt den gesunden Menschenverstand besser an der Labortüre ab. Freilich ist das Paradox leichter zu akzeptieren, wenn es sich im Mikrokosmos der Photonen und Elektronen verbirgt.

Arndt wies die Wellennatur der Materie allerdings an einem viel, viel größeren Materiebaustein nach, an einem Molekül mit 810 Atomen, so schwer wie 10.000 Protonen. „Tetraphenylporphyrin“ (TTPF) heißt es - auch dieses Riesenmolekül flog im Experiment durch zwei Spalten gleichzeitig, ohne sich dabei zu teilen. Dieser Weltrekord wurde bis heute nicht überboten.

Verhält sich wie eine Welle: Riesenmolekül TTPF

Einige Türen weiter neben Arndts Büro in der Wiener Boltzmangasse 5 hat auch Markus Aspelmeyer sein Zimmer. Auch er gehört zu den jungen Wilden im Metier der Experimentalphysik, auch er versucht Quantenphänomene an immer größeren Objekten nachzuweisen.

Aspelmeyer verfolgt dabei einen anderen Ansatz: Er lässt Moleküle nicht fliegen, sondern lässt sie im Hochvakuum nahe dem absoluten Nullpunkt „levitieren“, im Magnetfeld schweben. Auf diese Weise versetzte er letztes Jahr einen haarförmigen Festkörper in einen Quantenzustand.

Dieser Festkörper, bestehend aus 100 Milliarden Atomen, ist mit ein paar Mikrometer Länge bereits mit freiem Auge sichtbar. Zwar kann man der Materie mit dieser Methode „nur“ ein leichtes Quantenzittern entlocken - gleichwohl gilt auch hier: Das Paradox der Quanten scheint kein Größenlimit zu kennen. Zumindest nicht in der Theorie. „Die Quantentheorie sagt keine Grenze voraus. Und alle bisherigen Versuche geben auch keinen Hinweis darauf, dass es so eine Grenze gibt“, sagt der theoretische Physiker Caslav Brukner von der Uni Wien.

Ferrari am Doppelspalt

Dennoch existieren ein paar physikalische Hürden, die dafür sorgen, dass Quantenobjekte nicht beliebig wachsen können. Da ist zunächst einmal der Faktor Zeit. Markus Arndt hat vor einigen Jahren berechnet, wie lange es dauern würde, einen Ferrari in eine Materiewelle zu verwandeln.

Ergebnis: sehr lang - vier Millionen Mal so lang, wie das Universum alt ist. Davon abgesehen würde man für ein sauberes Experiment auch mehr als nur einen Wagen benötigen. Denn die Welle zeigt sich nur dann vollständig, wenn man mit vielen „Teilchen“ experimentiert. So ein Antrag hätte beim Forschungsförderungsfonds wohl nicht so gute Erfolgsaussichten, vermutet Arndt. „10.000 Ferraris sind auch in Österreich leider nicht finanzierbar.“

Labor: Forscher neben Versuchsaufbau mit optischen Geräten und einem wohlgeordenetem Kabelsalat
Aspelmeyer Group / Universität Wien
Hightech-Kabelsalat: Quanteneffekte lassen sich nur mit großem Aufwand aus Materie „herauskitzeln“

Eine etwas realistischere Berechnung hat kürzlich der amerikanische Theoretiker Miles Blencowe durchgeführt. Er beschäftigt sich mit den Einflüssen der Gravitation auf Quanteneffekte. Äußere Einflüsse sind normalerweise Gift für Versuche, wie sie Arndt und Aspelmeyer durchführen.

Das liegt daran, dass Quanteneffekte sich nur dann zeigen, wenn die Untersuchungsobjekte vollständig von der Umwelt isoliert wurden. Licht, Wärme, Strahlung, Teilchen - all das darf so ein Experiment nicht stören. Die Gravitation fällt da normalerweise nicht ins Gewicht, denn ihr Einfluss ist winzig. Doch Blencowes Berechnungen zeigen: Gelänge es, einen ein Zentimeter großen Magneten in den Zustand einer quantenmechanischen Überlagerung zu bringen, dann könnte sich die Wirkung der Gravitation in dieser Dimension bereits bemerkbar - und die empfindliche Überlagerung zunichte machen. Es sei denn, man würde das Experiment in Schwerelosigkeit durchführen.

Von zentimetergroßen Quantenobjekten ist die Forschung noch weit entfernt. Die Physiker kratzen derzeit an der Mikrometermarke, dazwischen klafft ein Spalt von vier Größenordnungen. Den zu durchmessen wird wohl noch ein paar Jahrzehnte dauern.

Vision: Überlagertes Schwerefeld

Die Not, die dem Experiment aus den störenden Einflüssen der Gravitation erwächst, könnte man im Prinzip auch zur Tugend machen: Das zumindest ist die Vision von Markus Aspelmeyer. Er möchte irgendwann so große Quantenobjekte herstellen, dass sich die seltsamen Effekte auch auf das Schwerefeld übertragen. Das würde bedeuten, dass sich die Raumzeit selbst in einen wellenartigen Zustand begibt, dass die Bühne des Weltgeschehens selbst paradoxe Eigenschaften annimmt. So ein Zustand ist auch mit der bisherigen Theorie noch nicht vollständig zu fassen.

„Ich kann sehr gut verstehen, dass Markus so ein Experiment durchführen will. Wir träumen alle davon“, sagt Angelo Bassi, Theoretiker von der Universität Triest. Denn so ein Experiment könnte den Weg ebnen zu einer Universaltheorie der Physik - zu einer Theorie, die sowohl die Quanten als auch die Schwerkraft zu beschreiben vermag. „Quantengravitation“ heißt dieses ersehnte Neuland. Den Weg weisen soll, das ist zumindest die Hoffnung, das Experiment. Vielleicht gelingt den Wiener Physikern der ganz große Wurf.

Robert Czepel, science.ORF.at

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