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Neutronen in seltsamem Zustand

Ort und Spin eines Teilchens quantenmechanisch verschränkt

Von Rainer Scharf

In der Quantenwelt hängen die Dinge anders zusammen, als es uns die Alltagserfahrung erwarten läßt. Besonders deutlich wird das bei Experimenten mit Photonenpaaren, deren Schwingungs- oder Polarisationsrichtungen quantenmechanisch "verschränkt" sind. Zunächst erscheinen die Schwingungsrichtungen völlig unbestimmt. Mißt man indes die Polarisation des einen Teilchens, liegt augenblicklich die Schwingungsrichtung des anderen Teilchens fest, unabhängig davon, wie weit die Photonen zum Zeitpunkt der Messung voneinander entfernt sind. Beide Teilchen schwingen dabei stets senkrecht zueinander. Jetzt hat man am Atominstitut in Wien erstmals einzelne Neutronen mit sich selbst verschränkt und ihre Eigenschaften untersucht.

Das Wiener Experiment hat eine lange und interessante Vorgeschichte. Schon 1935 hatten Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen darauf hingewiesen, daß sich die quantenmechanische Verschränkung nicht mit dem klassischen Weltbild in Einklang bringen läßt. In der Welt der klassischen Physik sollte das Ergebnis einer Messung an einem Objekt nicht von der Messung an einem anderen, weit entfernten Objekt abhängen. Doch diese plausibel klingende Lokalitätsannahme wird von den verschränkten Photonen verletzt, die ihre Polarisationen subtil miteinander abstimmen.

Dreißig Jahre später erkannte der irische Physiker John Stewart Bell, daß die von Einstein gegen die Quantenmechanik ins Feld geführte Lokalitätsannahme weitreichende Folgen hat, und zwar unabhängig davon, ob die Quantenmechanik gilt oder nicht. Die Lokalitätsannahme schränkt den Grad der Abstimmung zwischen Meßergebnissen, die an weit voneinander entfernten Objekten gewonnen wurden, stark ein. Bell hat das in eine nach ihm benannte Ungleichung eingebracht. Bei zahlreichen Experimenten mit verschränkten Photonen fand man die Bellsche Ungleichung verletzt. Die Polarisationen der Photonen waren somit tatsächlich stärker aufeinander abgestimmt, als es die Lokalitätsannahme erlaubte.

Lange Zeit schien es so, als könnten verschränkte Quantenzustände nur dann die Bellsche Ungleichung verletzen, wenn sie auch gegen die Einsteinsche Lokalitätsannahme verstoßen. Doch vor zwei Jahren hatten indische Physiker um Dipankar Home darauf hingewiesen, daß für besonders präparierte Neutronen die Bellsche Ungleichung verletzt sein sollte, obwohl die Lokalitätsannahme erfüllt ist.

Dazu muß der Spin des Neutrons, den man sich als Kreiselbewegung vorstellen kann, mit der Bewegung des Neutrons längs seiner Flugbahn verschränkt sein. Da Spin und Bahnbewegung stets am Ort des Neutrons gemessen werden, ist die Lokalitätsannahme in diesem Fall gerechtfertigt.

Jetzt haben Yuji Hasegawa und seine Mitarbeiter vom Atominstitut der Österreichischen Universitäten in Wien das von ihren indischen Kollegen vorgeschlagene Experiment verwirklicht ("Nature", Bd. 425, S. 45). Sie gingen dazu an den Hochflußreaktor am Institut Laue Langevin in Grenoble, der ihnen einen intensiven Neutronenstrahl lieferte. Zunächst richteten die Forscher die Neutronenspins mit einem Polarisator so aus, daß sie senkrecht zur Flugrichtung zeigten. Dann teilten sie den Neutronenstrahl mit einem Neutroneninterferometer in zwei Strahlen. Das Interferometer zwang die Neutronen in einen schizophrenen Quantenzustand, in dem jedes Teilchen gleichzeitig in jedem der beiden Teilstrahlen mitflog. Mit einer speziellen Magnetspule wurden die Neutronenspins in den beiden Teilstrahlen nun in entgegengesetzte Richtungen gedreht, so daß man für ein Neutron nicht mehr mit Bestimmtheit sagen konnte, in welchem Teilstrahl es sich befand und wie sein Spin ausgerichtet war. Spin und Bewegungszustand waren demnach miteinander verschränkt.

Schließlich führte man die beiden Teilstrahlen wieder zusammen und maß die Intensität der ankommenden Neutronen mit einem Detektor. Wurden die Neutronen auf ihrem Weg durch das Interferometer zusätzlich einem langsam anwachsenden Magnetfeld ausgesetzt, dann nahm die Strahlintensität periodisch zu und ab. Diese periodische Verstärkung und Auslöschung der beiden interferierenden Teilstrahlen konnten die Forscher auch dann beobachten, als sie behutsam ein dünnes Plättchen in die Teilstrahlen schoben. Die Intensitäten, die der Neutronendetektor für verschiedene Magnetfeldstärken und Plättchenstellungen gemessen hatte, ließen sich zu einer charakteristischen Größe zusammenfassen. Die indischen Physiker hatten berechnet, daß diese charakteristische Größe stets kleiner als 2 sein muß (also eine Bellsche Ungleichung erfüllt), wenn die Annahmen der klassischen Physik gelten und sich die Meßergebnisse für den Spin und den Bewegungszustand eines Neutrons nicht miteinander abstimmen.

Das Experiment der Wiener Forscher hat nun endlich Klarheit gebracht. Hasegawa und seine Kollegen haben festgestellt, daß die verschränkten Neutronen die Bellsche Ungleichung verletzen. Der experimentell ermittelte Wert der charakteristischen Größe betrug 2,051. Er war damit eindeutig größer als 2. Die Meßergebnisse für Spin und Bewegung des Neutrons stimmten sich demnach so eng miteinander ab, wie man es zwar mit der Quantenphysik erklären konnte, nicht aber mit der klassischen Physik. Wie schon zuvor zieht die Bellsche Ungleichung auch hier eine scharfe Trennlinie zwischen dem klassisch Erlaubten und dem quantenmechanisch Möglichen. Allerdings spielt Einsteins Lokalitätsannahme erstmals keine Rolle dabei. 

Text: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 10.09.2003, Nr. 210 / Seite N2

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