Schärfere Unschärfe

Spanische Forscher haben genauer gemessen, als die Heisenbergsche Unschärferelation eigentlich erlaubt

Zu den Seltsamkeiten der Mikrowelt gehört, dass polizeiliche Geschwindigkeitskontrollen hier genau genommen undurchführbar sind. Der Wachtmeister mit dem Laser könnte zwar die Geschwindigkeit eines Nanofahrzeugs messen, wäre aber nicht in der Lage, gleichzeitig den genauen Ort der Messung nachzuweisen. Der Fahrer könnte sich bequem damit herausreden, zum Messzeitpunkt auf der Autobahn in der Nähe unterwegs gewesen zu sein. Das Phänomen hat Werner von Heisenberg 1927 erstmals formuliert, deshalb trägt es auch seinen Namen.

Im einfachsten Fall ist das Produkt der Unschärfen der beiden Messgrößen größer als das Plancksche Wirkungsquantum h (genauer gesagt: größer als h/4*Pi). Nun ist die Planck-Konstante sehr, sehr klein, deshalb spielt die Unschärferelation im Maxi-Alltag leider keine Rolle - und eignet sich vor den strengen Augen des Gesetzes auch nicht als Ausrede für Verkehrssünder.

Doch die Technik ist mittlerweile an einem Punkt angekommen, wo dieses Grundprinzip der Quantenmechanik allmählich lästig wird - sei es bei der Messung von Gravitationswellen, sei es bei der Magnetresonanztomografie oder bei der Konstruktion erdumspannender Navigationshilfen wie GPS. Denn auch wenn es nur darum geht, nur eine Größe zu messen (etwa die Frequenz einer Welle), braucht man dazu zwingend eine zweite Größe mit ebensolcher Genauigkeit (nämlich den Zeitpunkt, zu dem die Messung angefertigt wird - ohne diesen wird das Ergebnis sinnlos).

Die Wissenschaft ist deshalb längst auf der Suche nach Verfahren, wie man Messungen trotz der Unschärferelation präzisieren könnte. Dabei gibt man sich nicht der Illusion hin, Heisenberg widerlegen zu können (wobei sich die Unschärferelation nicht direkt aus anderen Aussagen der Quantenmechanik ergibt, sie stellt eher eine zusätzliche, vielfach bestätigte Annahme dar). Vielmehr geht es darum, ihr Limit auszutesten. Dazu bedient man sich der Tricks, die das Quantenreich eben so bietet, insbesondere der Verschränkung.

Über die Heisenberg-Grenze hinaus skalieren

In einem Artikel in Nature zeigen nun Forscher der Universität Barcelona eine viel versprechende Herangehensweise. Dazu nutzten sie die bereits vorher bekannte Tatsache, dass zwei Faktoren die Genauigkeit einer Messung verbessern: Die Interaktion von Partikeln einerseits und deren Verschränkung andererseits. Es galt also, beide Faktoren zu kombinieren - und das gelang den Wissenschaftlern mit Hilfe eines gepulsten Lasers, mit dem sie eine Wolke von etwa einer Million ultrakalten Rubidium-Atomen bestrahlten. Die polarisierten Photonen des Lasers interagieren mit den Rubidium-Atomen.

Das Ergebnis lässt sich spektrometrisch analysieren - es verrät Daten über die atomare Magnetisierung (den Spin) der Atome. Die Forscher zeigen in ihrer Arbeit, dass sich ihr Verfahren über die Heisenberg-Grenze hinaus skalieren ließe - das ist die eigentliche Neuerung. Die praktische Ausführung bleibt allerdings künftigen Wissenschaftlern überlassen. Der Preis ist heiß: Eine höhere Genauigkeit etwa bei der Messung von Magnet- oder Gravitationsfeldern würde verschiedenste Disziplinen voranbringen.

Heißt das, dass die Heisenbergsche Unschärferelation falsch ist? So seltsam es klingt - nein. Dabei geht es um die gleichzeitige Messung verschiedener Parameter. Wir können nicht den Ort eines Teilchens präzise bestimmen und gleichzeitig seinen genauen Impuls kennen. Diese Verknüpfung ist fundamental und auch von den Spaniern in ihrem Nature-Paper nicht widerlegt.