Seit 2018 verleiht die Amerikanische Physikalische Gesellschaft (APS) den Norman F. Ramsey‐Preis für außergewöhnliche wissenschaftliche Leistungen auf den Gebieten Atom‐, Molekül‐ und Optische Physik, mitgesponsort von der Garchinger Firma Menlo Systems, die von Theodor Hänsch gegründet wurde. 2019 erhält Jun Ye von der Universität Colorado in Boulder diesen Preis für seine grundlegenden Beiträge für Präzisionsmessungen molekularer und atomarer Systeme. Hier spricht er über die weltweit genauesten Methoden der Zeitmessung, wie diese unsere Kommunikations‐Technologien verändern und neue Perspektiven in der Quantenphysik eröffnen.
Seit 2018 verleiht die Amerikanische Physikalische Gesellschaft (APS) den Norman F. Ramsey‐Preis für außergewöhnliche wissenschaftliche Leistungen auf den Gebieten Atom‐, Molekül‐ und Optische Physik, mitgesponsort von der Garchinger Firma Menlo Systems, die von Theodor Hänsch gegründet wurde. 2019 erhält Jun Ye von der Universität Colorado in Boulder diesen Preis für seine grundlegenden Beiträge für Präzisionsmessungen molekularer und atomarer Systeme. Hier spricht er über die weltweit genauesten Methoden der Zeitmessung, wie diese unsere Kommunikations‐Technologien verändern und neue Perspektiven in der Quantenphysik eröffnen.
In diesem Kapitel soll dem Leser, unter anderem, ein Gefühl für die Größenordnung verschiedener physikalischer Größen auf dem Gebiet der Quantenphysik vermittelt werden. Die meisten wichtigen physikalischen Größen, wie die Elementarladung, die Masse des Elektrons, das Plancksche Wirkungsquantum usw., besitzen Werte, die in den üblichen makroskopischen Einheiten ausgedrückt recht unpraktisch sind und uns nicht viel sagen, weil sie so unvorstellbar klein sind. Wir können uns auch schwer den Wert des Planckschen Wirkungsquantums von h = 6,6·10−27 erg s vorstellen bzw. seine ganze Bedeutung erfassen. Es ist daher notwendig, daß wir uns ausführlich mit diesen Konstanten befassen und untersuchen, in welchem Zusammenhang sie in der Physik vorkommen und was ihre Zahlenwerte bedeuten1).
Die Quantentheorie und die Theorie der quantenmechanischen Messung ermoglichen es, Aussagen uber quantenphysikalische Systeme (Atome, Kerne, Elementarteilchen) zu machen, die an diesen Systemen experimentell nachgepruft werden konnen.Beispiele fur solche Aussagen sind z.B. ,,das Elektron hat den Impuls p" oder ,,der Atomkern hat einen Drehimpuls J".Wie fur die Aussagen aller Wissensgebiete wird man zunachst auch fur diese Aussagen erwarten, daR sie den Regeln der Logik gehorchen.Tatsachlich ist das aber nicht der Fall.Es hat sich namlich gezeigt, daB von den Regeln der Aussagenlogik, die zuerst von den Stoikern aufgestellt wurden, spater im Mittelalter und in der modernen mathematischen Logik wieder aufgegriffen wurden, nur noch ein Teil fur Aussagen uber Quantenphanomene richtig bleibtl).2)3 9, 4).Einige dieser Regeln verlieren ihre Gultigkeit.Derjenige Teil der logischen Regeln, der auch noch in der Quantenphysik gilt, wird gewohnlich als Quantenlogik bezeichnet.Es handelt sich also bei der Quantenlogik nicht um eine ,,neue" Logik, die im Bereich des Atomaren gilt, sondern um eine restriktive Logik, die weniger enthalt als die uns bekannte klassische Aussagenlogik.Der heutige Physiker ist im allgemeinen leicht geneigt zu glauben, daR irgendeine Disziplin, die in der Philosophie vergangener Jahrhunderte fur wahr gehalten wurde, durch die moderne Physik widerlegt sei.Das kommt einerseits daher, daR viele Physiker empiristisch denken, d. h. in diesem Falle, daB sie geneigt sind zu glauben, man konne alle auf die Erfahrung bezogenen Behauptungen auch durch Erfahrungen -z.B. der Atomphysikwiderlegen. Anderseits sprechen fur eine solche Einstellung die schlechten Erfahrungen, die die Physik mit Begriffen und Satzen gemacht hat, die in der philosophischen Tradition uberliefert wurden.Die Verknupfung von Raum und Zeit in der Relativitatstheorie oder das Versagen des Kausalgesetzes in der Quantentheorie gehoren zu diesem Problemkreis.Man wird deshalb versucht sein, auch eine Restriktion der Aussagenlogik in der modernen Atomphysik einfach als eine neue Erfahrung hinzunehmen.Dies ist jedoch nicht ohne weiteres moglich.Die groRte Schwierigkeit, die sich einer solchen Einstellung entgegenstellt, ist die Tatsache, daB die klassische Aussagenlogik wahr ist.Und zwar ist die Aussagenlogik keineswegs in einem empirischen Sinne wahr, sondern sie ist wahr durch das unmittelbare Einleuchten (die Evidenz) ihrer Satze, deren Gultigkeit somit auf keinen bestimmten Gegenstandsbereich eingeschrankt ist.Wie das im Einzelnen 2x1 verstehen ist, sol1 im ersten Teil auseinandergesetzt werden.Nehmen wir zunachst einmal die Evidenz der klassischen Logik als gegeben an, so entsteht die Frage, wie es moglich sein kann, daR fur die Aussagen der Quantenphysik nur eine restriktive Logik, die Quantenlogik, gilt.
Die Bohrs che Theorie, die uns eine Vorstellung vom Bau des Atoms gegeben hat, und die mit ihr aufs engste verknüpfte Quantenlehre, die dieser Theorie zugrunde liegt, sind nicht nur in fast alle Gebiete der Physik eingedrungen, sondern haben auch in der Chemie eine gewaltige, beständig wachsende Bedeutung erlangt. Diese Wissenschaft befaßt sich vor allem mit Atomen und Molekülen, und daher ist es von vornherein klar, daß eine Lehre, die so viel Neues über diese Atome gebracht hat, auch für die Chemie als eine Art Offenbarung erscheinen, ihr einen Zufluß von neuen Ideen geben, neue weite Horizonte eröffnen und zur Entwicklung sowie Vertiefung der theoretischen Grundlagen beitragen mußte, mit denen diese Wissenschaft das von ihr erlangte, fast unübersehbare Versuchsmaterial zusammengefaßt und synthesiert. Es ist ohne weiteres klar, daß wir der Anwendung der neuen Lehre auf die Chemie nur wenig Platz einräumen können und nur bei den Fragen verweilen werden, die für die Physik von Interesse sind. Ohne auf Einzelheiten einzugehen, und sich in jedem speziellen Falle auf ein oder zwei Beispiele beschränkend, werden wir unser Hauptaugenmerk auf die leitenden Grundgedanken und Tatsachen richten, durch die die Anwendungen der neuen, auf dem Boden der Physik entstandenen und zur Blüte gelangten Ideen auf die Chemie charakterisiert werden.
Tagungsberichte: From Correlated Electrons to the Quantum Mechanics of Complex Systems — Ein Symposium zu Ehren von Martin C. Gutzwiller/Materie‐ und Photonen‐Interferometrie: Hermann‐von‐Helmholtz‐Symposium der Physikalisch‐Technischen Bundesanstalt/Supraleitende Elektronik — bloß etwas für Nischenmärkte?/Low Energy Electron‐Molecule Interactions at Different Degrees of Aggregation: 173. WE‐Heraeus‐Seminar/International Workshop on New Ideas in Clustering in Nuclear and Atomic Physics: 174. WE‐Heraeus‐Seminar/Workshop Mikrosensorik: 180. WE‐Heraeus‐Seminar/TAGUNGEN 1998: Veranstaltet von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG)
Komplexes Verhalten manifestiert sich in Quantensystemen unterschiedlichster Couleur: Zum einen in wechselwirkenden Vielteilchensystemen und hier besonders bei den korrelierten Elektronen im Festkorper; zum anderen in niedrigdimensionalen Systemen mit wenigen Freiheitsgraden, deren Kopplung zu klassisch chaotischem Verhalten fuhrt und die damit ideale Untersuchungsobjekte fur Quantenchaos sind.Diesen weiten Bogen von elektronischen Korrelationen bis hin zum quantenmechanischen und klassischen Chaos uberspannen die Arbeiten von Martin C. Gutzwiller (IBM, Yorktown Heights).Sein Name ist fest verbunden mit der Variationswellenfunktion fur korrelierte Elektronen (1963) und ihrer naherungsweisen Auswertung (1965) sowie mit der semiklassischen Spurformel (1971).Fur diese und weitere wegweisende Beitrage wurde er mit einem Symposium am Max-Planck-Institut fur Physik komplexer Systeme in Dresden (23.-25.Juni 1997) geehrt.Sowohl die Untersuchung korrelierter Elektronen wie auch die des Quantencha-0s haben sich in den letzten Jahren zu schnell fortschreitenden, breiten Forschungsfeldem entwickelt.Das Symposium in Dresden hat geholfen, diese Gebiete niiher zusarnmenzubringen und uber
ZUSAMMENFASSUNG Kalte Quantengase und speziell die Bose-Einstein-Kondensation bilden seit ihrer ersten Realisierung im Jahr 1995 ein neues und schnell wachsendes Forschungsfeld.Interessante quantenmechanische Phänomene wie Materiewellen-Interferenzen, Superfluidität, Solitonen oder Bloch-Oszillationen werden in zahlreichen Laboren weltweit untersucht.Auf dem Gebiet der Quantensensorik können solche Kondensate als ideale kohärente atomare Quelle dienen.Quantensensoren bieten vielversprechende Anwendungen vom Gebiet der Geodäsie über die Metrologie bis hin zu wichtigen Fragestellungen der fundamentalen Physik wie z.B.Tests des Äquivalenzprinzips.Hochpräzise Inertialsensoren können mit frei fallenden Atomen realisiert werden, die Empfindlichkeit steigt dabei quadratisch mit der Flugzeit.Eine Erhöhung der Sensitivität auf diesem Wege stellt hohe Anforderungen an die Minimierung der Temperatur der atomaren Ensembles und an die Realisierung einer vibrationsarmen Umgebung.Die Schwerelosigkeit bietet bei vielen dieser Fragestellungen den Vorteil von bisher unerreichten Regimes der kältesten Temperaturen, Erreichen makroskopischer Dimensionen der Materiewellenlänge sowie lange und ungestörte freie Entwicklungszeiten im Sekundenbereich.Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur zur Realisierung eines Bose-Einstein Kondensates (engl."Bose-Einstein Condensate", BEC) in schwereloser Umgebung aufgebaut und das erste Bose-Einstein Kondensat unter Mikrogravitation verwirklicht.Für die Umsetzung des Projektes wurde als Mikrogravitationsplattform der Fallturm in Bremen gewählt, der mit 4,7 Sekunden freiem Fall, einer Repetitionsrate von 3 Experimenten am Tag, einer Mikrogravitationsgüte von ∆g/g < 10 -5 im Frequenzbereich von 0 bis 500 Hz und einer relativ leichten Zugänglichkeit zum Experiment die ideale Plattform darstellt.Der geringe Nutzraum von 170 cm Höhe und 60 cm Durchmesser, die Restriktion der zur Verfügung stehenden Energie durch Batterieversorgung, das maximal zulässige Gesamtgewicht von 500 kg sowie die notwendige Fernsteuerung des Experiments sind Rahmenbedingungen, die diesen Aufbau zum Prototypen eines mobilen BEC-Experiments für den Einsatz in ballistischen Raketen (TEXUS-Programm) oder im Weltraum (Raumstation ISS, Raumtransporter ATV) machen.Realisiert wird das Bose-Einstein-Kondensat durch einen Atomchip [1], der die benötigten Magnetfelder für die Speicherung und Manipulation der eingesetzten Rubidiumatome bereitstellt.Atomchips bieten den Vorteil der geringen Energieaufnahme bei gleichzeitiger Erreichung größter Magnetfeldgradienten, was die für das Erreichen eines Bose-Einstein Kondensates notwendige evaporative Kühlung in den temporalen Bereich von einer Sekunde bringt.Hierdurch erst lässt sich das BEC während des freien Falls von 4,7 Sekunden generieren.Die Planung und die Umsetzung des Experimentes zielten auf eine robuste Apparatur für den Einsatz unter hohen Abbremsbeschleunigungen (50 g) ab.Die Integration aller Komponenten in die Apparatur sowie die Optimierung der Bose-Einstein Kondensation erfolgte zunächst am Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität in Hannover und wurde nach Abschluss der Tests an das "Zentrum für angewandte Raumfahrt und Mikrogravitation, ZARM" überführt.Mit der Realisierung des ersten schwerelosen Kondensates am 13.11.2007folgte im März 2008 die erste freie Entwicklung eines Kondensates im Zeitraum von einer Sekunde.Mit diesem Experiment sind neue Wege für viele Anwendungen gerade im Bereich der hochpräzisen Messungen durch Atominterferometer oder der Untersuchung von Kondensaten auf makroskopischen Längenskalen geschaffen worden.Die Konvergenz von hochsensiblen optischen Systemen, kalten Quantengasen auf der einen Seite und weltraumtauglichen, kompakten und ferngesteuerten Experimenten auf der anderen Seite ist demonstriert.
Wir wollen jetzt, nachdem wir das traditionelle wissenschaftliche Weltbild und seine Auswirkungen auf unser heutiges Leben betrachtet haben, die Entwicklung verfolgen, welche die Wissenschaft seit Beginn dieses Jahrhunderts genommen hat. Dabei werden wir erneut eine eigenartige Entdeckung machen, daß nämlich diejenige Wissenschaft, die alsdas Modell exakter Naturwissenschaftlichkeit gilt, zugleich die Grundlage für tiefgehende erkenntnistheoretische Überlegungen lieferte. Interessanterweise war es also wiederum die Physik, von der, nachdem sie schon das Modell der klassischen Wissenschaft geliefert hatte, nun entscheidende Anstöße in Richtung eines neuen Wissenschafts- und Weltbildes ausgingen.