1, 2, 3, viele – wie aus wenigen Teilchen ein ‚Haufen‘ wird

Wie groß muss ein Ensemble von Teilchen sein, damit die Frage nach der genauen Teilchenzahl unwichtig wird?

Heidelberger Physikern ist es in Experimenten mit ultrakalten Atomen gelungen, den Übergang zu einem durch unendlich viele Teilchen beschriebenen System zu beobachten. Dieses physikalische Problem ist in der Philosophie als sogenanntes Sorites-Paradoxon bekannt. Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, ab wann eine Ansammlung von Elementen einen ‚Haufen‘ bildet.

Durchgeführt wurden die Experimente von Wissenschaftlern der Universität Heidelberg unter Leitung von Prof. Dr. Selim Jochim am Max-Planck-Institut für Kernphysik. Die Veröffentlichung der Forschungsergebnisse erfolgte in „Science“.

„Systeme, die aus vielen Teilchen bestehen, lassen sich in der Regel nur sehr schwer mikroskopisch exakt beschreiben. Wissenschaftler arbeiten daher häufig mit effektiven Theorien, mit denen nicht mehr die einzelnen Teilchen wie zum Beispiel Gasmoleküle in der Luft betrachtet werden, sondern makroskopische Größen wie Druck oder Temperatur“, erläutert Selim Jochim. Ausgangspunkt der aktuellen Experimente war ein von den Heidelberger Forschern speziell präpariertes System, das so klein war, dass es noch exakt beschrieben werden konnte.

Beginnend mit einem Atom erhöhten die Wissenschaftler nun Atom für Atom die Anzahl der Teilchen. Dabei wurde immer wieder die Energie des gesamten Systems gemessen. Die Untersuchungen zeigten schließlich, dass für das hier untersuchte System bereits bei sehr wenigen Atomen die für ein unendlich großes System hergeleitete Theorie anwendbar wird.

„Dies können wir als direkt beobachtbaren Übergang von einem Wenigteilchensystem zu einem Vielteilchensystem bezeichnen. Bereits ab etwa vier Atomen ist, in einfachen Worten gesprochen, das von uns untersuchte System ein Haufen‘ im Sinne des Sorites-Paradoxon“, so der Heidelberger Physiker.

Die jetzt veröffentlichten Forschungsergebnisse basieren auf Vorarbeiten der Heidelberger Physiker, die im Jahr 2011 ebenfalls in „Science“ publiziert wurden: Den Wissenschaftlern um Selim Jochim ist es vor zwei Jahren gelungen, das für die aktuellen Untersuchungen verwendete System reproduzierbar in allen seinen Eigenschaften, zu denen die exakte Teilchenzahl, deren Bewegungszustand und ihre Wechselwirkung gehören, zu kontrollieren. „Bis heute sind wir das weltweit einzige Forscherteam, das derartige Systeme präparieren kann“, betont Prof. Selim Jochim. „Die nun publizierten Ergebnisse verwirklichen zum ersten Mal unsere Vision, mit diesen Experimenten einen tiefen Einblick in die Natur fundamentaler Wenigteilchensysteme zu gewinnen, um beispielsweise Atomkerne besser zu verstehen.“

Originalpublikation:
A. N. Wenz, G. Zürn, S. Murmann, I. Brouzos, T. Lompe, S. Jochim: From Few to Many: Observing the Formation of a Fermi Sea One Atom at a Time. Science, Vol. 342, Seite 457, 25. Oktober 2013; doi: 10.1126/science.1240516
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