Dank der Quantenphysik können sich riesige Moleküle an zwei Orten gleichzeitig befinden.
Das ist etwas, von dem Wissenschaftler seit langem wissen, dass es theoretisch wahr ist, basierend auf einigen Fakten: Jedes Teilchen oder jede Gruppe von Teilchen im Universum ist auch eine Welle - sogar große Teilchen, sogar Bakterien, sogar Menschen, sogar Planeten und Sterne. Und Wellen nehmen mehrere Orte gleichzeitig im Raum ein. So kann jeder Materiestück auch zwei Plätze gleichzeitig einnehmen. Physiker nennen dieses Phänomen "Quantenüberlagerung" und haben es jahrzehntelang mit kleinen Teilchen demonstriert.
In den letzten Jahren haben Physiker ihre Experimente erweitert und die Quantenüberlagerung mit immer größeren Teilchen demonstriert. In einem Artikel, der am 23. September in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht wurde, hat ein internationales Forscherteam dafür gesorgt, dass Moleküle mit bis zu 2.000 Atomen gleichzeitig zwei Stellen einnehmen.
Um dies zu erreichen, bauten die Forscher eine komplizierte, modernisierte Version einer Reihe berühmter alter Experimente, die erstmals die Quantenüberlagerung demonstrierten.
Die Forscher hatten lange gewusst, dass Licht, das durch ein Blatt mit zwei Schlitzen geschossen wird, ein Interferenzmuster oder eine Reihe von hellen und dunklen Rändern an der Wand hinter dem Blatt erzeugt. Aber Licht wurde als masselose Welle verstanden, nicht als Teilchen, daher war dies nicht überraschend. In einer Reihe berühmter Experimente in den 1920er Jahren zeigten Physiker jedoch, dass sich Elektronen, die durch dünne Filme oder Kristalle abgefeuert werden, ähnlich verhalten und Muster bilden wie Licht an der Wand hinter dem Beugungsmaterial.
Wenn Elektronen einfach Teilchen wären und somit jeweils nur einen Punkt im Raum einnehmen könnten, würden sie zwei Streifen an der Wand hinter dem Film oder Kristall bilden, die ungefähr die Form der Schlitze haben. Stattdessen treffen die Elektronen in komplexen Mustern auf diese Wand, was darauf hindeutet, dass die Elektronen sich selbst gestört haben. Das ist ein verräterisches Zeichen einer Welle; an einigen Stellen fallen die Spitzen der Wellen zusammen und erzeugen hellere Regionen, während an anderen Stellen die Spitzen mit Tälern zusammenfallen, so dass sich die beiden gegenseitig aufheben und eine dunkle Region erzeugen. Da die Physiker bereits wussten, dass Elektronen Masse haben und definitiv Teilchen sind, zeigte das Experiment, dass Materie sowohl als einzelne Teilchen als auch als Wellen wirkt.
Es ist jedoch eine Sache, ein Interferenzmuster mit Elektronen zu erzeugen. Es ist viel schwieriger, es mit riesigen Molekülen zu machen. Größere Moleküle haben weniger leicht zu erfassende Wellen, da massereichere Objekte kürzere Wellenlängen haben, die zu kaum wahrnehmbaren Interferenzmustern führen können. Und diese Partikel mit 2.000 Atomen haben Wellenlängen, die kleiner als der Durchmesser eines einzelnen Wasserstoffatoms sind, so dass ihr Interferenzmuster viel weniger dramatisch ist.
Um das Doppelspaltexperiment für große Dinge durchzuführen, bauten die Forscher eine Maschine, die einen Strahl von Molekülen abfeuern konnte (riesige Dinge, die als "mit Fluoralkylsulfanylketten angereicherte Oligotetraphenylporphyrine" bezeichnet werden und mehr als das 25.000-fache der Masse eines einfachen Wasserstoffatoms betragen ) durch eine Reihe von Gittern und Blechen mit mehreren Schlitzen. Der Strahl war ungefähr 2 Meter lang. Das ist groß genug, dass die Forscher Faktoren wie die Schwerkraft und die Rotation der Erde bei der Gestaltung des Strahlemitters berücksichtigen mussten, schrieben die Wissenschaftler in der Arbeit. Sie hielten die Moleküle auch für ein quantenphysikalisches Experiment ziemlich warm, so dass sie die Hitze berücksichtigen mussten, die die Teilchen drängte.
Als die Forscher die Maschine einschalteten, zeigten die Detektoren am anderen Ende des Strahls ein Interferenzmuster. Die Moleküle besetzten mehrere Punkte im Raum gleichzeitig.
Es ist ein aufregendes Ergebnis, schrieben die Forscher, das Quanteninterferenzen in größerem Maßstab als jemals zuvor nachweist.
"Die nächste Generation von Materiewellenexperimenten wird die Masse um eine Größenordnung drücken", schrieben die Autoren.
Es kommen also noch größere Demonstrationen von Quanteninterferenzen, obwohl es wahrscheinlich nicht möglich sein wird, sich bald durch ein Interferometer zu feuern. (Zuallererst würde dich das Vakuum in der Maschine wahrscheinlich töten.) Wir riesigen Wesen müssen einfach an einem Ort sitzen und zusehen, wie die Partikel den ganzen Spaß haben.
