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Physik-Nobelpreis 2012 Teilchenfänger mit Samthandschuhen

Den Nobelpreis für Physik erhalten in diesem Jahr der Franzose Serge Haroche und der Amerikaner David J. Wineland. Sie haben Methoden entwickelt, mit denen sich Quantenteilchen messen lassen, ohne dass sie dabei Schaden nehmen.

Stand: 09.10.2012 | Archiv

Serge Haroche, David J. Wineland | Bild: CNRS, NIST

Die beiden 68-jährigen Quantenphysiker Serge Haroche und David J. Wineland haben sich mit der Wechselwirkung von Licht und Materie beschäftigt. Sie hätten "bahnbrechende experimentelle Methoden" entwickelt, mit denen sich empfindliche Quanten, die kleinsten Teilchen der Materie, untersuchen lassen. Das teilte die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm mit. Beide hätten eine neue Ära des Experimentierens eingeläutet, da sie es geschafft haben, Quantenteilchen direkt zu beobachten, ohne sie zu zerstören. Solche kleinsten Teilchen aus ihrer Umgebung zu isolieren ist schwierig, weil sie ihre speziellen Quanteneigenschaften verlieren, sobald sie mit der Umwelt in Beziehung treten. Beide Wissenschaftler konstruierten spezielle "Fallen", in denen geladene Atome (Ionen) oder Lichtteilchen (Photonen) eingefangen und untersucht werden können.

"Das ist nur schwer zu fassen. Ich war auf der Straße, zusammen mit meiner Frau auf dem Weg nach Hause. Ich war froh, dass ich mich hinsetzen konnte, das ist überwältigend. Ich werde zu Hause Champagner trinken und dann ins Labor gehen."

Die erste Reaktion von Serge Haroche

Die Quantendetektive und ihre Fallen

David J. Weinland

Die beiden Quantenphysiker forschen unabhängig voneinander, doch ihre Methoden haben einiges gemeinsam: Wineland und sein Team von der University of Colorado in Boulder fangen geladene Atome in elektrischen Feldern und messen sie mithilfe von Photonen. Haroche und seine Kollegen vom Collège de France und der Ecole Normale Supérieure in Paris machen das Ganze andersrum: Sie kontrollieren und messen eingeschlossene Photonen, indem sie Atome durch die Falle schicken. Die Objekte werden in beiden Versuchsanordnungen nicht zerstört, sondern können über einen längeren Zeitraum beobachtet werden. Lichtteilchen können in vielen anderen Messgeräten zwar auch nachgewiesen werden, sind dann aber verschwunden. Ein anschauliches Beispiel hierfür ist unser Auge, das den Strahl einer Taschenlampe zwar empfängt, danach ist der Lichtstrom aber weg.

"Das ist ein bisschen so, als ob man einen Kuchen zwar isst, ihn danach aber noch hat."

Per Delsing, Mitglied des Nobelkomitees, zur Leistung der beiden Forscher, die Teilchen zu messen, ohne sie dabei zu zerstören.

Wichtig für Quantencomputer, Atomuhren und Handys

Serge Haroche

Die Arbeiten von Haroche und Wineland bilden die Grundlagen zur Entwicklung superschneller Computer und extrem präziser Uhren. "Man nutzt die Quantenphysik jeden Tag im Alltag, ohne es zu wissen", erklärte der frischgebackene Nobelpreisträger Haroche. Denn auch Handys samt ihrer Einzelteile funktionieren nach den Gesetzen der Quantenphysik. "Hier ist keine neue Entdeckung ausgezeichnet worden, sondern ein Lebenswerk der beiden, das zu einem tieferen Verständnis der Quantenphysik geführt hat", sagte der deutsche Atomforscher Wolfgang Sandner vom Berliner Max-Born-Institut zur Entscheidung des Nobelpreis-Komitees.

Quantenphysik

Für einzelne Teilchen von Licht oder Materie und deren Wechselwirkung greifen nicht mehr die klassischen physikalischen Gesetze, sondern die Quantenphysik. Sie beschäftigt sich mit dem Verhalten und dem Zusammenspiel sehr kleiner Systeme. Ein Teilchen kann sich zum Beispiel auch wie eine Welle verhalten und Licht und andere Wellen können auch als Teilchen reagieren. Und nicht nur die Natur eines Objektes in der Quantenwelt ist zweifelhaft, es lässt sich auch nicht genau auf einen Ort festlegen. Diese sogenannte Unschärfe hat Werner Heisenberg bereits 1920 entdeckt. Demnach lässt sich der konkrete Aufenthaltsort von Quanten nur als Wahrscheinlichkeit schätzen. Im Extremfall kann ein Teilchen gleich wahrscheinlich an zwei Orten sein - seine beiden möglichen Zustände überlagern sich.

Jede Messung in der Quantenwelt zerstört den Überlagerungszustand des Teilchens und verändert seine Eigenschaften - so wie etwa ein Handabdruck in feuchtem Lehm dessen ursprüngliche Form verzerrt. Deshalb galt es lange Zeit als unmöglich, die quantenpyhsikalischen Eigenschaften von Atomen oder Lichtteilchen zu messen.

Deutsche Physik-Nobelpreisträger

Chronik: Physik-Preisträger der vergangenen Jahre

  • 2011: Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt, Adam G. Riess erhalten die Auszeichnung, weil sie durch das Beobachten von Supernovae beweisen konnten, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt.
  • 2010: Die Briten Andre Geim und Konstantin Novoselov für die Entwicklung von Graphen, dem dünnsten und stärksten Material aus Kohlenstoff.
  • 2009: Charles Kuen Kao, Willard Sterling Boyle und George Elwood Smith für ihre Forschung mit Lichtimpulsen und Lichtsensoren im Einsatz moderner Kommunikationsmittel.
  • 2008: Der US-Amerikaner japanischer Herkunft Yoichiro Nambu und seine japanischen Kollegen Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa erhalten die Auszeichnung für ihre Erkenntnisse in der Teilchenphysik.
  • 2007: Der Deutsche Peter Grünberg vom Forschungszentrum Jülich der Helmholtz-Gemeinschaft zusammen mit dem Franzosen Albert Fert für ihre Beiträge zur Erforschung des Riesen-Magnet-Widerstands, der für den Lesevorgang bei Computer-Festplatten verwendet wird.
  • 2006: John C. Mather und George F. Smoot (beide USA) für den Nachweis winziger Temperaturschwankungen in der sogenannten kosmischen Hintergrundstrahlung, dem "Echo des Urknalls".
  • 2005: Roy J. Glauber (USA) für Grundlagen der Quantenoptik sowie John L. Hall (USA) und Theodor W. Hänsch (Deutschland) für die Entwicklung einer Laser-basierten Präzisionsmesstechnik für Lichtfrequenzen.
  • 2004: David J. Gross, H. David Politzer und Frank Wilczek (alle USA) für Erkenntnisse zur Kraft zwischen den kleinsten Materieteilchen im Atomkern, den Quarks.
  • 2003: Alexej Abrikosow (USA und Russland), Vitali Ginsburg (Russland) und Anthony Leggett (USA und Großbritannien) für bahnbrechende Arbeiten zu Supraleitern und Supraflüssigleiten.
  • 2002: Raymond Davis (USA), Masatoshi Koshiba (Japan) und Riccardo Giacconi (USA) für die Entdeckung kosmischer Röntgenstrahlen und Neutrinos.
  • 2001: Wolfgang Ketterle (Deutschland), Eric A. Cornell (USA) und Carl E. Wieman (USA) für die Erschaffung des Bose-Einstein- Kondensats, der fünften Erscheinungsform der Materie neben fest, flüssig, gasförmig und dem Plasma.

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