Quantenhafte Schwebung

Die quantenhafte Schwebung ist ein Phänomen der Quantentheorie, das beweist, dass Teilchenzustände überlagert sein können. Während ein Teilchen in der klassischen Physik nur entweder viel Energie oder wenig Energie haben kann, kann es in der Quantenphysik beide Zustände gleichzeitig einnehmen. Anschaulich beschrieben wird diese Überlagerung von Zuständen im Gedankenexperiment von Schrödingers Katze.

Das Bohrsche Atommodell besagt, Elektronen können sich im Atom nur auf ganz bestimmten Bahnen bewegen, denen verschiedene Energien entsprechen. Das ist ein einfaches erstes Modell, das sehr vieles erklärt. Aber es ist falsch. So wie das Elektron beim Doppelspaltversuch durch beide Spalte geht, kann es sich auch im Atom sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Bahn befinden. Es kann also viel und wenig Energie haben. Dazu nimmt man zunächst ein Gas von Atomen und bestrahlt es kurz mit Photonen von kleiner Energie, welche die Elektronen des Atoms gerade vom Grundzustand, also von der innersten Elektronenbahn, auf die zweitinnerste heben können. Kurz darauf sinken die Elektronen wieder in den Grundzustand zurück und emittieren dabei ein Photon von der gleichen Energie wie das aufgenommene. Die Strahlung nimmt dabei gleichmäßig (exponentiell) ab, ähnlich wie beim radioaktiven Zerfall von Atomen. Denselben Versuch können wir auch mit Photonen einer höheren Energie durchführen, so dass die Elektronen vom Grundzustand auf die dritte Elektronenbahn gehoben werden. Das Resultat bleibt dasselbe, nur dass jetzt natürlich energiereichere Photonen abgestrahlt werden.

Nun kann man das Gas aber auch gleichzeitig mit den beiden Arten von Photonen bestrahlen. Man weiß dann nicht, auf welche Bahn die Elektronen gehoben werden. Tatsächlich wird es auf beide Bahnen gehoben, und jedes der emittierten Photonen hat beide Energien. Man kann sich diese absurd erscheinende Bemerkung folgendermaßen veranschaulichen: Wenn zwei Wellen mit verschiedenen Wellenlängen überlagert werden, so treten Schwebungen auf, wie wir sie vom Stimmen von Instrumenten her kennen: Liegt der Ton des Instrumentes nahe am Vergleichston, so klingt der Gesamtton periodisch lauter und leiser. Je näher die zwei Töne beisammen sind, desto länger ist die Periode zwischen laut und leise.

Genau denselben Effekt kann man auch bei den Photonen des obigen Versuches beobachten. Photonen von unterschiedlicher Energie haben unterschiedliche Wellenlängen. Wenn die Atome mit beiden Arten von Energie gleichzeitig angeregt werden, überlagern sich die unterschiedlichen Wellen und die Photonen erscheinen nicht mehr gleichmäßig, logarithmisch abnehmend, sondern periodisch abwechselnd mal gehäuft, mal fast nicht. Die Überlagerung von zwei Energiezuständen führt also zu Schwebungen, d.h., zu gewissen Zeiten werden plötzlich überhaupt keine Photonen mehr abgestrahlt.

Man kann sich fragen, warum jedes einzelne Atom beide Energien und beide Frequenzen habe. Könnte nicht die Hälfte der Photonen niedrige und die andere Hälfte eine höhere Frequenz haben? Tatsächlich kann man bei einzelnen Atomen messen, welche Energie sie gerade haben. Wenn man dies tut, findet man das Elektron immer entweder auf der äußeren oder auf der inneren Bahn. Nur verschwindet dann gleichzeitig auch die Schwebung, so wie beim Doppelspaltversuch die Interferenz verschwindet, wenn man misst, durch welchen Spalt das Elektron geht. Nur wenn unbestimmt ist, welche Energie die einzelnen Atome haben, tritt die Schwebung auf. Läge eine Mischung von einigen Atomen im energiereichen Zustand und einigen im energieärmeren Zustand vor, so gäbe es die Schwebung nicht. Eine solche Mischung sieht also völlig anders aus als eine Menge von Atomen, die sich alle in beiden Zuständen gleichzeitig befinden.

Übrigens kann heute auch ein einzelnes Atom auf diese Weise gleichzeitig in zwei verschiedene angeregte Zustände versetzt werden. Dieser Effekt spielt eine wichtige Rolle bei Quantencomputern. Die eben beschriebene quantenhafte Schwebung ist ein Beispiel für ein Phänomen, das in vielen Physikbüchern Schrödingers Katze genannt wird.