Neues aus der Quantenwelt: Unschärferelation besagt, dass ein Objekt gleichzeitig mehrere Temperaturen haben kann! Neues aus der Quantenwelt: Unschärferelation besagt, dass ein Objekt gleichzeitig mehrere Temperaturen haben kann!
Die Temperatur ist eine jener Mengen, die natürlich vertraut und unglaublich kompliziert sind, sobald wir über ihre grundlegende Definition hinausgehen. Für ein ideales Gas... Neues aus der Quantenwelt: Unschärferelation besagt, dass ein Objekt gleichzeitig mehrere Temperaturen haben kann!

Die Temperatur ist eine jener Mengen, die natürlich vertraut und unglaublich kompliziert sind, sobald wir über ihre grundlegende Definition hinausgehen. Für ein ideales Gas ist Temperatur proportional zur kinetischen Energie seiner Teilchen. Die Messung der Temperatur erfolgt makroskopisch mit Hilfe von Thermometern – zwei Körper in Berührung erreichen im Laufe der Zeit die gleiche Temperatur.

Das in der Quantenwelt zu tun, ist nicht so einfach. Energie kann aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation nicht mit beliebiger Genauigkeit bekannt sein. Wir isolieren entweder das Objekt vollständig, um dessen Energie zu etablieren, oder wir verwenden ein Thermometer, das unser System beeinflusst.

Es gibt also kein Gewinnen, wenn wir die Quanten-Temperatur messen wollen!

Eine neue Studie in Nature Communications beschreibt eine generalisierte Version der Energie-Temperatur Unschärferelation, die für Quanten- und klassische Systeme gleichermaßen gültig bleibt. Die Temperatur hat eine gewisse Unsicherheit, die reduziert werden kann, aber dies erlaubt uns, es in Betracht ziehen.

Ein Problem ist insbesondere die Überlagerung der Energiezustände. Die Vorstellung der Überlagerung ist vom Physiker Erwin Schrödinger berühmt gemacht worden. In seinem Gedanken-Experiment wird eine Katze in einem Kasten mit einem Fläschchen Gift gefangen, das durch einen Quanten-Prozess aktiviert werden kann. Da der Wissenschaftler nicht weiß, was im Kasten geschieht, ist die Katze sowohl lebendig als auch tot – sie besteht in zwei Zuständen zur gleichen Zeit. Für das Thermometer geschieht das für Temperaturzustände.

Im Quantenfall wird ein Quantenthermometer in einer Überlagerung von Energiezuständen gleichzeitig sein. Weil das Thermometer nicht mehr eine bestimmte Energie hat und wirklich in einer Kombination von verschiedenen Zuständen ist, trägt das zur Unklarheit in der Temperatur bei, die die Physiker eigentlich messen wollen.

Die Erkenntnisse sind wichtig für das Design optimaler Nanometer-Thermometer. Diese sind im täglichen Leben vielleicht nicht nützlich, aber sie werden eine entscheidende Rolle für das erfolgreiche Funktionieren vieler aufkommender Technologien spielen.

– DENKE-ANDERS-BLOG –





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