Abstract In einem ausführlichen Übersichtsartikel haben die Physikalischen Blätter 1985 über verschiedene Testexperimente zur Quantenmechanik berichtet, die im Rahmen der Neutroneninterferometrie durchgeführt worden sind. In der Zwischenzeit ist es gelungen, das Energie‐ bzw. das Impulsauflösungsvermögen derart zu steigern, daß die entsprechenden komplementären Größen in der Unschärferelation makro‐skopische Dimensionen annehmen. Im folgenden wird die Beugung thermischer Neutronen an einem Spalt der Breite von 5 mm und eine Art Quanten‐Beat‐Effekt mit einer charakteristischen Zeitkonstante von 47,9 Sekunden beschrieben.
Abstract In einem ausführlichen Übersichtsartikel haben die Physikalischen Blätter 1985 über verschiedene Testexperimente zur Quantenmechanik berichtet, die im Rahmen der Neutroneninterferometrie durchgeführt worden sind. In der Zwischenzeit ist es gelungen, das Energie‐ bzw. das Impulsauflösungsvermögen derart zu steigern, daß die entsprechenden komplementären Größen in der Unschärferelation makro‐skopische Dimensionen annehmen. Im folgenden wird die Beugung thermischer Neutronen an einem Spalt der Breite von 5 mm und eine Art Quanten‐Beat‐Effekt mit einer charakteristischen Zeitkonstante von 47,9 Sekunden beschrieben.
Abstract Wenn man von quantisierten Feldern spricht, dann sind es Photonenzahl und Photonenstatistik, die im allgemeinen für eine Charakterisierung herangezogen werden. Auskünfte über die Phase des Feldes sind wesentlich schwerer zu erlangen; im Grenzfall weniger oder gar einzelner Photonen bereitet der Begriff der Phase sogar konzeptionelle Schwierigkeiten [1]. In diesem Beitrag wird die Messung der Phase an einem System diskutiert, das nur im Quantenbild richtig beschrieben werden kann. Es handelt sich um das Beispiel des Mikromasers [2, 3], dessen Feld aus nur wenigen Photonen besteht. Die Diskussion wird zeigen, daß selbst in diesem rein quantenmechanischen Grenzfall die Phase eine meßbare Größe ist und daß bei der Messung interessante Phänomene beobachtet werden können, die neue Einsichten in den Quanten‐Meßprozeß liefern.
Abstract Mit der Perfektkristall‐Neutroneninterferometrie konnten in den vergangenen zehn Jahren eine Reihe quantenmechanischer Grundlagenexperimente mit Materiewellen realisiert werden. Das klassische Doppel‐spaltexperiment, der Einfluß der Gravitation, der Nachweis der 4π‐Symmetrie von Spinoren sowie der Nachweis des Spin‐Superpositionsprinzips auf makroskopischer Basis werden diskutiert. Alle Ergebnisse zeigen volle Übereinstimmung mit den Vorhersagen der Quantenmechanik, sind jedoch dazu geeignet, die Debatte über die Interpretation dieser Theorie neu zu beleben.
In dieser Arbeit werden drei Möglichkeiten äußerer Einflüsse auf wellenmechanische Systeme analysiert. In allen drei Fällen nutze ich Mikrowellensysteme, um quantenmechanische Systeme zu simulieren. Zuerst werden Zerfallsraten von Wellenfunktionen, die in sogenannten regulären Inseln von Billard-Systemen konzentriert sind, untersucht. Danach wird der Einfluss von offenen Zerfallskanälen auf den Transport durch chaotische Wellensysteme charakterisiert. Das letzte Thema ist ein zeitlich veränderliches Mikrowellen-System. Im ersten Kapitel wird der Übergang einer Wellenfunktion eines klassisch isolierten Bereichs des korrespondierenden Phasenraums zu einem anderen analysiert. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem Einfluss von zusätzlichen Zuständen des ursprünglichen Phasenraumbereichs. Es wird gezeigt, dass diese Zustände zu einer Steigerung der Zerfallsrate führen können. Die Zerfallsraten werden indirekt über Absorption gemessen, was zu einem Anstieg der entsprechenden Resonanzbreiten führt. Zusätzlich zu dem sonst üblichen modenabhängigem Tunnelverhalten, welches typischerweise in numerischen Berechnungen genutzt wird, ist eine parametrische Änderung des Systems durchgeführt worden. Dadurch wurde der Nachweis des Effekts zusätzlich untermauert. Die experimentelle und numerische Bestimmung von Kanal-Korrelationen sind Gegenstand des zweiten Kapitels. Nach der Definition der Korrelationsfunktion wird das experimentelle Modellsystem vorgestellt. Die Ergebnisse des Experiments und der sie beschreibenden Numerik zeigen, dass die Korrelationsfunktionen bei der Beschreibung der allgemeinen Leitwertfluktuationen nicht vernachlässigbar sind. Das letzte Kapitel beschäftigt sich mit der Realisierung eines periodisch angetriebenen Mikrowellen-Systems. Der prinzipielle Aufbau ist ein Schwingkreis mit einer zeitlich veränderbaren Kapazität. Analysiert werden die Eigenschaften des Systems, wie die Seitenbandstrukturen für verschiedene Treibungssignale, sowohl experimentell, als auch theoretisch und numerisch. Dies ist der erste Schritt zur Konstruktion eines Systems, in welchem ein großer Teil der Resonanzen durch einen äußeren Parameter verändert werden kann. Die vollständige Beschreibung einer einzelnen getriebenen Resonanz wird vorgestellt und die nächsten Schritte zur Realisierung von zeitabhängig getriebenen wellemechanischen Systemen werden gezeigt.
In dieser Arbeit sollen Gedankenexperimente über Quantenmechanik und Gravitation formuliert und analysiert werden. Wir wollen untersuchen welche Möglichkeiten im Rahmen eines Gedankenexperimentes bestehen mehr über die Beziehung von Quantenmechanik und Gravitation zu lernen. Diese Gedankenexperimente sollen auch auf Ihre Realisierbarkeit untersucht werden. In einem ersten Gedankenexperiment wird einer Überlegung Werner Heisenbergs zur Suche nach Unschärferelationen gefolgt und diese auf die Gravitation angewendet. Dabei wird ein Weg gezeigt Unschärferelationen für linearisierte Gravitationsfelder (gravitoelektromagnetische Felder) zu finden. In einem zweiten Gedankenexperiment wird die Dekohärenz bei Interferenzexperimenten durch gravitative Wechselwirkung untersucht und welche Auswirkungen dies für verschiedene Modelle des spontanen Wellenkollapses hat. Es werden zwei Gedankenexperimente mit Mach-Zehnder Interferometern formuliert, die eine Unterscheidung zwischen Alternativmodellen und der Quantenmechanik ermöglichen. Wie gezeigt wird, sind diese Experimente mit dem momentanen Stand der Experimental-Technik nicht zu realisieren und dienen der Anschauung.
Abstract Interferometrie mit elektromagnetischer und korpuskularer Strahlung hat stets hohe Aufmerksamkeit bei Physikern gefunden — nicht zuletzt deshalb, weil damit fundamentale Vorhersagen der Quantenmechanik verifiziert werden konnten und die meisten höchstempfindlichen Meßmethoden auf interferometrischen Prinzipien aufbauen. Mit dem Perfektkristall‐Neutroneninterferometer gelang es in den letzten Jahren, den magnetischen Josephson‐, den skalaren Aharonov‐Bohm‐ und den Aharonov‐Casher‐Effekt nachzuweisen. In all diesen Fällen wirkt keine klassische Kraft auf das Neutron, sondern der meßbare Phasenschub wird durch eine Beeinflussung des kanonischen Impulses verursacht. Bei großen Phasenschüben, die die Kohärenzlänge deutlich übersteigen, so daß im Ortsraum separierte Wellenpakete auftreten, konnte im Impulsraum eine markante Spektrumsmodulation beobachtet werden. Solche „Schrödinger‐Katzen”︁‐Zustände sind gegenüber Fluktuationen extrem empfindlich und zeigen bei gewissen Werten den aus der Quantenoptik bekannten „squeezing”︁‐Effekt. Ihre Untersuchung bietet einen Weg zu einem besseren Verständnis des quantenmechanischen Meßprozesses.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es zu zeigen, dass der Cheshire Cat Zustand, dessen experimenteller Nachweis bereits durch Tobias Denkmayr et. al. erbracht wurde, auch präperiert werden kann, wenn die Messung schneller erfolgt als die Flugzeit des Neutrons durch das Inteferometer (delayed choice). Dazu wird ein Spin-Up-polarisierter Neutronenstrahl mit einer DC-Spule in Vorwärtsrichtung gekippt und tritt so in ein 3-Platten-Interferometer (Triple-Laue Interferometer) ein. Der Quantum Cheshire Cat Effekt zeigt im Wesentlichen, dass es auf quantenmechanischer Ebene möglich ist, dass sich ein System so verhält, als wäre es von seinen Eigenschaften räumlich getrennt. Ziel des Experimentes ist es nun, einen Kritikpunkt am Experiment von Tobias Denkmayr auszuräumen, wonach es prinzipiell möglich ist, durch Rückwärtszeitentwicklung das Resultat, genauer welchen Pfad das Neutron im Interferometer gew ählt hat, bereits vorauszuberechnen. Das soll durch einen Delayed Choice Ansatz bewerkstelligt werden: Der Zeitpunkt der Entscheidung, welche Messung tatsächlich durchgeführt wird, soll so weit nach hinten verlegt werden, dass das Neutron in dieser Zeit das Interferometer bereits wieder verlassen hat. Dadurch kann nicht mehr argumentiert werden, dass das Neutron während seinem Durchfuehrung durch das Interferometer bereits "weiss"welchen Pfad es wählt und die Möglichkeit einer Vorausberechnung ist nicht mehr gegeben. Im Rahmen dieser Arbeit wird nun nach dem Interferometer ein oszillierendes Magnetfeld angelegt, das in zufälliger Sequenz einen Spinflip um ausführt (eingeschaltetes Feld) oder nicht (abgeschaltetes Feld). In Kombination mit dem nachfolgenden Superspiegel bewirkt das, dass in ebendieser zufälligen Sequenz entweder die Neutronen deren Spin in up oder jene deren Spin in down-Richtung polarisiert sind, postselektiert werden Die Neutronen werden so in verschiedenen, kurzen Zeitintervallen gezählt und anschlieend entsprechend der im jeweiligen Zeitintervall vorliegenden Spinauswahl über alle Z ahlungen summiert. Aus diesen Summen geht der Cheshire Cat Effekt wiederum hervor. Das Experiment zeigt, dass der Delayed Choice Ansatz im Grossen und Ganzen funktioniert und der Effekt sichtbar ist. Durch verschiedene Umstände, wie vor allem einer gegen Ende des Experimentes ausgefallene Temperaturregulierung und damit verlorengegangener Kontrast ist die statistische Signifikanz der Ergebnisse nicht vollständig gewährleistet. Am Ende der Arbeit sind daher einige Vorschläge für Verbesserungen und weiterführende Studien angeführt, die diese Problematik beheben und die argumentative Stichhaltigkeit noch weiter erhöhen können.