Tausendfache Vergrößerung eines Schmutzflecks, und plötzlich scheint er nicht mehr nach denselben Regeln zu spielen. Der Umriss sieht zum Beispiel die meiste Zeit nicht gut aus und ähnelt einer diffusen, weitläufigen Wolke. Das ist der bizarre Bereich der Quantenmechanik. „In einigen Büchern steht, dass sich ein Teilchen an verschiedenen Stellen gleichzeitig befindet“, sagt der Physiker Markus Arndt von der Universität Wien in Österreich. "Ob das wirklich passiert, ist eine Frage der Interpretation."
Anders ausgedrückt: Quantenteilchen wirken manchmal wie Wellen, die sich im Raum ausbreiten. Sie können ineinander und sogar auf sich selbst zurückschwappen. Wenn Sie jedoch mit bestimmten Instrumenten auf dieses wellenförmige Objekt stoßen oder wenn das Objekt auf bestimmte Weise mit benachbarten Partikeln interagiert, verliert es seine wellenförmigen Eigenschaften und verhält sich wie ein diskreter Punkt - ein Partikel. Seit Jahrzehnten beobachten Physiker, wie Atome, Elektronen und andere Kleinigkeiten zwischen wellen- und teilchenartigen Zuständen wechseln.
Aber ab welcher Größe gelten Quanteneffekte nicht mehr? Wie groß kann etwas sein und sich immer noch wie ein Teilchen und eine Welle verhalten? Die Physiker hatten Mühe, diese Frage zu beantworten, da die Experimente kaum zu entwerfen waren.
Jetzt haben Arndt und sein Team diese Herausforderungen umgangen und quantenwellenartige Eigenschaften an den bislang größten Objekten beobachtet - Molekülen, die aus 2.000 Atomen bestehen und die Größe einiger Proteine haben. Die Größe dieser Moleküle übertrifft den bisherigen Rekord um das Zweieinhalbfache. Um dies zu sehen, injizierten sie die Moleküle in ein 5 Meter langes Röhrchen. Wenn die Partikel am Ende ein Ziel treffen, landen sie nicht nur als zufällig verteilte Punkte. Stattdessen bildeten sie ein Interferenzmuster, ein Streifenmuster aus dunklen und hellen Streifen, das darauf hindeutet, dass Wellen kollidieren und sich miteinander verbinden. Sie haben die Arbeit heute in Nature Physics veröffentlicht.
"Es ist überraschend, dass dies in erster Linie funktioniert", sagt Timothy Kovachy von der Northwestern University, der nicht an dem Experiment beteiligt war. Es sei äußerst schwierig, ein Experiment durchzuführen, sagt er, da Quantenobjekte empfindlich sind und durch Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung plötzlich von ihrem wellenförmigen in ihren partikelähnlichen Zustand übergehen. Je größer das Objekt ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es gegen etwas stößt, sich erwärmt oder sogar auseinanderbricht, was diese Übergänge auslöst. Um die Moleküle in einem wellenförmigen Zustand zu halten, räumt das Team ihnen einen engen Weg durch die Röhre, als würde die Polizei eine Paradenroute absperren. Sie halten die Röhre im Vakuum und verhindern durch ein System von Federn und Bremsen das kleinste Wackeln des gesamten Instruments. Die Physiker mussten dann die Geschwindigkeit der Moleküle sorgfältig kontrollieren, damit sie sich nicht zu sehr erhitzen. "Es ist wirklich beeindruckend", sagt Kovachy.
Eine Möglichkeit, die Physiker untersuchen, besteht darin, dass die Quantenmechanik tatsächlich auf allen Ebenen anwendbar sein könnte. „Du und ich, während wir sitzen und reden, fühlen uns nicht quantenhaft“, sagt Arndt. Wir scheinen unterschiedliche Umrisse zu haben und stoßen nicht zusammen und verbinden uns nicht wie Wellen in einem Teich. "Die Frage ist, warum die Welt so normal aussieht, wenn die Quantenmechanik so seltsam ist?"
Durch die Suche nach wellenartigem Verhalten in immer größeren Objekten möchte Arndt verstehen, wie die Quantenmechanik in die Welt übergeht, die wir normalerweise wahrnehmen. Zu diesem Zweck schlagen einige Physiker Theorien wie das kontinuierliche spontane Lokalisierungsmodell vor, das die Mathematik der Standardquantenmechanik dahingehend modifiziert, dass größere Objekte für kürzere Zeiten in einem wellenförmigen Zustand bleiben. Die Ergebnisse dieses Experiments schränken die Wahrscheinlichkeit einiger dieser Theorien ein, sagt Arndt.
Um das Experiment durchzuführen, setzte Arndts Team einen grünen Laser ein, um die Moleküle in die Röhre zu schleudern. Die Moleküle absorbierten die Energie des Lichts, um sie voranzutreiben. Dann passierten die Moleküle eine Folge von Metallgittern, die dünne, nanometer breite Schlitze enthielten. Die Gitter teilen effektiv ein einzelnes Molekül in mehrere Wellen auf, die sich in verschiedene Richtungen bewegen, und kombinieren sie am Ende neu, um das Interferenzmuster zu bilden. Es ist eine verkleidete Version des berühmten Doppelspaltexperiments, "eine der typischen Demonstrationen der Wellennatur der Materie", sagt Kovachy.
