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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Quantenzustände im Gravitationsfeld |
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| | | Die Beobachtung von Quantenzuständen im Gravitationsfeld der Erde ist einem internationalen Forschungsteam aus Frankreich, Russland und von der Universität Heidelberg gelungen. Was schon länger vermutet wurde, könnte jetzt das physikalische Weltbild deutlich erweitern. |
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Dies berichtet das Forschungsteam in der aktuellen Ausgabe von "Nature".
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Der Artikel "Quantum physics: Quantum effects of gravity" ist erschienen in "Nature", Bd. 415, Seiten 267 - 268, (2002).
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Verhalten von Teilchen |
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Die Quantenmechanik bestimmt maßgeblich das Verhalten von Atomen. So besetzen die Elektronen eines Atoms beispielsweise nur Energieniveaus bestimmter Werte.
Physiker gehen davon aus, dass alle fundamentalen Wechselwirkungen der Quantenmechanik folgen, doch bei der Gravitation blieb dies bislang Theorie.
Quanteneffekte ließen sich im Bereich der Gravitation deshalb nicht beobachten, weil diese schwache Kraft in eher größeren Entfernungen wirksam wird.
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Quantentheorie
Theorie, die die Atome, Moleküle sowie ihre Wechselwirkung mit Elementarteilchen beschreibt. Den Ausgangspunkt bildete die Entdeckung von M. Planck, dass man die Energiedichte der Lichtstrahlung eines schwarzen Körpers nur dann richtig berechnen kann, wenn man annimmt, dass alle Lichtenergie nur in Quanten, also bestimmten Energiemengen abgegeben wird. Damit war die Möglichkeit gegeben, die "quantisierte" Lichtemission und -absorption von Atomen zu verstehen.
Das von Bohr benutzte Korrespondenzprinzip führte Heisenberg zu seiner Matrizendarstellung der Quantenmechanik, einer mathematischen Theorie, mit der alle Experimente widerspruchsfrei erklärt werden konnten. Ein anderer Zugang zum Bau der Atome war die Vermutung von L. de Broglie , dass nicht nur das Licht, sondern auch alle Materie Wellencharakter habe. Dies wurde durch Experimente bestätigt und von E. Schrödinger in seiner Wellenmechanik mathematisch verarbeitet. |
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 Mehr zu Quantenmechanik |
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Mittels Neutronen |
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Um die Quantenzustände im Gravitationsfeld nachzuweisen, verwendeten die Physiker Neutronen, die ungeladenen Elementarteilchen des Atomkernes.
Dabei wurden "ultrakalte" (d.h. sehr langsame) Neutronen auf einem horizontalen Neutronenspiegel unter dem Einfluss des Gravitationsfeldes der Erde mehrfach reflektiert.
Diese Neutronen wurden nun vom Ausgang der Neutronenquelle über diesen Spiegel zu einem Neutrondetektor geführt.
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Reflektierte Neutronen |
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Unter dem Einfluss der Schwerkraft krümmte sich die Bahn der Neutronen zu einer Parabel, sie trafen auf die Platten, wurden reflektiert und entfernten sich in einer Parabel wieder von der Platte.
Nur einige Mikrometer oberhalb des Neutronenspiegels befand sich eine zweite Platte, die jedoch nur Neutronen absorbierte. Hier wurden Teilchen eingefangen, die eine zu große Energie aufwiesen.
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Neutron
1932 von J. Chadwick entdecktes elektrisch neutrales Elementarteilchen, dessen Masse der des Protons nahezu gleich ist; zusammen mit dem Proton Baustein der Atomkerne. Das Neutron ist als freies Teilchen unbeständig und zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa 10,3 min in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino. Es spielt eine wichtige Rolle im Kernreaktor. |
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Gravitation und Quantenmechanik für Erklärung |
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Werden die erreichten Höhen, d.h. die Energien, der Neutronen von oben durch die zweite Platte, den Neutronenabsorber, beschränkt, dann machen sich für die verbleibenden, kleinen Neutronenergien die Gesetzte der Quantenmechanik bemerkbar.
Im Unterschied zu Licht zeigen die Neutronen in diesem Fall Eigenschaften, wie sie nur durch die Gravitation im Zusammenspiel mit der Quantenmechanik hervorgerufen werden können: Die Physiker maßen mit ihrem Detektor erst dann Neutronen, wenn die beiden Platten einen ganz bestimmten Abstand aufwiesen, d.h. bei einem bestimmten Energieniveau der Neutronen.
Das bedeutet, dass wie die Quantenmechanik prognostiziert, definierte ("quantisierte") Energieniveaus von den Neutronen erreicht werden müssen, um übertragen zu werden.
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Die Grafik zeigt die definierten Energieniveaus, auf denen Neutronen übertragen werden.
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Die fundamentalen Kräfte
Den Aufbau und die Entwicklung des Universums bestimmen neben den elementaren Bausteinen auch die fundamentalen Kräfte der Natur, von denen es vier gibt: Die Quarks, aus denen Protonen und Neutronen bestehen, spüren eine starke Wechselwirkung, die so genannte Quantenchromodynamik. Sie ist die stärkste in der Natur vorkommende Kraft.
Die elektromagnetische Kraft ist schwächer als die starke Kraft und bindet zum Beispiel die Elektronen an den Atomkern. Die schwache Kraft regelt unter anderem den radioaktiven Zerfall sowie die Kernverschmelzung und somit die Energieerzeugung in der Sonne. Sie ist deutlich schwächer als die elektromagnetische Kraft. Die vierte fundamentale Kraft ist die Gravitation. |
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Sichtbar in den Daten |
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Der Einfluss der Quantenmechanik zeigt sich in den Daten der Physiker auch in einem anderen Blickwinkel. Würde man den Abstand der Platten zueinander vergrößern, so würde die Anzahl der gemessenen Neutronen nach den Prognosen zunehmen, allerdings nicht kontinuierlich, sondern in Sprüngen, also auf definierten Energieniveaus.
Und tatsächlich fanden sich in den Daten der Wissenschaftler auch jene Sprünge.
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01.01.2010 |
