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Quanteneffekt

Materiewellen im Schwerefeld

Von Rainer Scharf

Seit der Entdeckung der Quantentheorie weiß man, daß die Elektronen in den Atomen nur ganz bestimmte Zustände annehmen können. Beim Übergang von einem Zustand zum anderen machen die vom Atomkern angezogenen Elektronen ihre sprichwörtlichen Quantensprünge. Auch andere Partikeln, auf die eine anziehende Kraft wirkt, zeigen solch sprunghaftes Verhalten. Jetzt haben Physiker aus Frankreich, Deutschland und Rußland erstmals beobachtet, wie die Quantenmechanik das Verhalten von Neutronen im Gravitationsfeld der Erde beeinflußt.

Normalerweise bewegen sich Gegenstände im Schwerefeld der Erde auf gleichmäßig verlaufenden Bahnen. Bei einem mikroskopisch kleinen Teilchen unterliegt die Bewegung zudem den Prinzipien der Quantenphysik. Fällt ein Teilchen beispielsweise auf einen horizontalen Spiegel, der es wieder nach oben reflektiert, bildet sich eine Materiewelle, die bestimmte Bedingungen erfüllen muß. Zum Beispiel kann die Energie der Welle nur ganz bestimmte Werte annehmen. Beim Fallen im Schwerefeld springt das Teilchen von einem Quantenzustand in einen anderen. Dabei schrumpft die räumliche Ausdehnung der Materiewelle, und die Energie des Teilchens nimmt schrittweise ab.

Das ungewöhnliche Zusammenspiel von Schwerkraft und Quantenmechanik haben Valery Nesvizhevsky vom Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble und seine Kollegen jetzt bei Neutronen beobachtet. Die Forscher nutzten die Tatsache, daß die elektrisch ungeladenen Neutronen nicht dem störenden Einfluß elektrischer Felder unterliegen. Deshalb läßt sich die Wirkung der im Vergleich zu den übrigen drei Naturkräften schwachen Schwerkraft besonders gut studieren.

Die Forscher ließen die Teilchen, die sie mit der intensiven Neutronenquelle des ILL erzeugt hatten, zwischen einem horizontalen Spiegel und einem in geringem Abstand darüber angebrachten Absorber fliegen. Unter der Wirkung der Schwerkraft fielen die Neutronen auf den Spiegel, der sie reflektierte. Dabei konnten die Partikeln nur bestimmte Zustände einnehmen, so daß sie ihren Teilchencharakter verloren und sich statt dessen wie Materiewellen verhielten. Mit einem Detektor, der sich hinter Spiegel und Neutronenabsorber befand, stellten die Forscher fest, wie viele Neutronen durch die Anordnung gelangt waren.

Als die Wissenschaftler den Abstand zwischen Spiegel und Absorber nach und nach verringerten, nahm die Zahl der am Detektor ankommenden Neutronen nicht kontinuierlich sondern in Stufen ab. Es konnten offensichtlich nur Teilchen, die sich in bestimmten Quantenzuständen befanden, den Detektor erreichen. Als der Abstand schließlich noch ein hundertstel Millimeter betrug, kam praktisch kein Neutron mehr hindurch, obwohl der Abstand noch immer wesentlich größer war als der Durchmesser der Teilchen. Wie die Forscher in der heutigen Ausgabe der Zeitschrift "Nature" berichten (Bd. 415, S. 297), war selbst im Quantenzustand mit der niedrigsten Energie die Ausdehnung der entsprechenden Materiewellen größer als der Abstand zwischen Spiegel und Neutronenabsorber.

Die Experimente belegen, daß die Eigenschaften der Neutronen vom Schwerefeld genau so beeinflußt werden wie von der Quantentheorie vorausgesagt. Um allerdings den Übergang zwischen zwei Quantenzuständen direkt beobachten zu können, benötigt man wesentlich intensivere Neutronenstrahlen. Die Forscher des ILL hoffen, daß sich mit Hilfe solcher Übergänge die von Einsteins Relativitätstheorie postulierte Äquivalenz von schwerer und träger Masse auch für Elementarteilchen nachweisen läßt. 

RAINER SCHARF

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 17.01.2002, Nr. 14 / Seite 42

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