Quantenphysik

Die Renaissance der Atome

Von Rainer Scharf
01.12.2008
, 18:05
50 Jahre Physik: Die Renaissance der Atomphysik
Vor fünfzig Jahren schien die Atomphysik ihre einstige Führungsrolle endgültig verloren zu haben. Die Wende kam mit der Entwicklung des Lasers um 1960, mit dem sich Atome äußerst präzise anregen und kontrollieren ließen.

In den vergangenen 50 Jahren hat die Physik sowohl unseren Alltag als auch unser Weltbild revolutioniert. Die neuen physikalischen Erkenntnisse ermöglichten den Computer und das Mobiltelefon. Doch wir verdanken ihnen auch ein umfassendes Bild vom Universum und vom Aufbau der Materie. Viele Forschungsgebiete sind im Spannungsfeld der Physik aufgeblüht, wie die Biophysik oder die Klimaforschung. Am überraschendsten finde ich jedoch die Renaissance der Atomphysik, die vor 50 Jahren ihre einstige Führungsrolle in der Physik schon endgültig verloren zu haben schien.

Die Wende kam mit der Entwicklung des Lasers um 1960, mit dem sich Atome äußerst präzise anregen und kontrollieren ließen. 1979 konnte Hans Dehmelt ein einzelnes Atom mit einem elektrischen Feld festhalten und mit einem Laserstrahl sichtbar machen. Später gelang es sogar, ein Atom bei seinen Quantensprüngen zu beobachten. Damit begann in der Atomphysik eine bis heute anhaltende Folge von Experimenten, die die Gedankenexperimente von Einstein, Heisenberg und Schrödinger in die Tat umsetzten.

Die seltsamen Konsequenzen der Quantenphysik

So hat man die von einem angeregten Atom in zufälliger Folge abgestrahlten Lichtteilchen oder Photonen einzeln gezählt. Anfang der achtziger Jahre führte Alain Aspect ein von Einstein vorgeschlagenes Experiment durch, das die seltsamen Konsequenzen der Quantenphysik deutlich machte: Zwei „verschränkte“ Photonen zeigten über große Entfernungen hinweg ein abgestimmtes Verhalten, das die klassische Physik nicht erklären kann. In den letzten Jahren haben Nicolas Gisin und Anton Zeilinger gezeigt, dass diese Abstimmung über viele Kilometer hinweg auftritt und zur abhörsicheren Übertragung von Nachrichten genutzt werden kann.

Atome in Gefangenschaft

Durch die Kühlung von Atomen mit Laserlicht, die Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William Phillips in den 1980er Jahren entwickelt hatten, gelang es Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wieman 1995, ein ultrakaltes Bose-Einstein-Kondensat herzustellen. In diesem Fall zeigten die Atome des Kondensats ein perfekt abgestimmtes Verhalten, wie man es von Supraleitern her kennt. Mit Laserlicht hat man diese Atome in einem räumlichen Gitter festgehalten. Solche künstlichen supraleitenden Kristalle könnten helfen, die Hochtemperatursupraleitung zu verstehen. Außerdem ließe sich aus ihnen vielleicht ein Quantencomputer entwickeln, der klassischen Elektronenrechnern weit überlegen wäre.

Schließlich ist es den Atomphysikern dank der Arbeiten von Theodor Hänsch gelungen, die Schwingungsfrequenzen der Atome mit unfassbarer Genauigkeit zu messen. Ein Vergleich mit den Frequenzen der Atome in weit entfernten Quasaren im Universum hat gezeigt, dass sich die Eigenschaften der Atome über Jahrmilliarden hinweg nicht merklich geändert haben. Die extrem genaue Frequenzbestimmung kommt auch der irdischen Zeitmessung zugute. So wird es schon bald Atomuhren geben, die auch noch nach Milliarden Jahren sekundengenau gingen.

Quelle: F.A.Z.
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