BEC - Was ist es und woher kam die Idee?
Was ich über Bose-Einstein-Kondensation (BEC, aus dem Englischen "Bose-Einstein condensation") gehört habe, klingt ziemlich verrückt. Worum geht es eigentlich und wieso kam überhaupt jemand auf diesen Gedanken?
Anfangs der 20er Jahre ist Satyendra Nath Bose dem (für jene Zeit neuen) Gedanken nachgegangen, dass Licht in Form von kleinen diskreten Paketen erscheint (heute nennen wir diese Pakete "Quanten" oder "Photonen"). Bose stellte gewisse Regeln auf, die bestimmen, wann man zwei Photonen als identisch oder als verschieden ansehen soll. Heute nennen wir diese Regeln "Bose-Statistik" (oder manchmal Bose-Einstein-Statistik). 
Und wo kommt Einstein ins Spiel?
Für Bose war es schwierig, die Leute zu überzeugen, seine Ideen in den damaligen wissenschaftlichen Fachzeitschriften zu veröffentlichen. Daher sandte er sie an Einstein. Einstein fand Gefallen an den Ideen, und da er damals ein sehr wichtiger Wissenschaftler war, benutzte er seinen Einfluss, damit die Arbeiten veröffentlicht wurden.
Er benutzte also nur seinen Einfluss, und dafür wurde sein Name mit den Arbeiten verbunden?
Nein, nein, er lieferte einen anderen wichtigen Beitrag. Einstein vermutete, dass die gleichen Regeln auch für Atome gelten könnten. Er entwickelte eine Theorie, die beschrieb, wie sich Atome in einem Gas verhalten würden, wenn man diese neuen Regeln auf sie anwendete. Er fand aus den Gleichungen, dass sich im Allgemeinen nicht viel verändern würde, außer bei sehr tiefen Temperaturen. Wenn die Atome kalt genug wären, würde etwas sehr Ungewöhnliches passieren. Es war so seltsam, dass er nicht sicher war, ob es stimmen würde.
Ich dachte, Einstein hätte immer Recht gehabt.
Nicht in diesem Fall. Er hatte nur zur Hälfte, oder vielleicht weniger, recht. Zunächst mal gehorchen nicht alle Atome der Bose-Statistik. (Beachte die Seiten über Bose-Einstein und Fermi-Statistik, die demnächst fertig werden). Einige Atome gehorchen jedoch der Bose-Statistik, und für diese waren Einsteins Vorhersagen richtig. Aber auch für diese Atome hat Einstein die wichtigsten Effekte, welche seine Gleichungen vorhersagten, nicht erkannt.
Wenn Einstein dies nicht sah, so muss es sehr schwierig gewesen sein, sie zu sehen. Was waren denn diese Effekte, und wie wurden sie von jemandem erkannt?
Die Effekte haben damit zu tun, dass bei sehr tiefen Temperaturen die meisten Atome im gleichen Quantenzustand sind.
Ähm, der gleiche Quantenzustand? Was heißt das?
Du erinnerst dich, dass wir darüber redeten, dass die Elektronen in einem Atom nur bestimmte Energien haben können, die wir quantenmechanische Energieniveaus nannten?
Vage.
Wenn man ein Atom in irgendein Gefäß, sogar in eine Schüssel, einsperrt, so kann es nur bestimmte gegebene Energien haben. Es kann nicht mit irgendeiner beliebigen Geschwindigkeit herumrollen. Es muss seine Energie aus einem vorgegebenen Satz von erlaubten Energien auswählen.
Das macht keinen Sinn. Ich kann eine Metallkugel in eine Schüssel tun und ihr jede beliebige Geschwindigkeit geben. Wo sind da Ihre vorgegebenen Energien?
Die erlaubten Energiewerte liegen so nahe beisammen, dass man nicht bemerkt, dass nur winzig kleine Schritte möglich sind. Einsteins Gleichungen sagten aus, dass die Atome bei normalen Temperaturen in vielen verschiedenen Energieniveaus sind. Bei sehr tiefen Temperaturen jedoch würde ein großer Teil der Atome plötzlich in das allerniedrigste Energieniveau stürzen. Das Beispiel unten zeigt ein Modell von Atomen in einer Schüssel, wobei der Abstand der Energieniveaus übertrieben vergrößert dargestellt ist.
Wenn ich die Temperatur klein mache, so landen alle Atome unten. Was bedeutet das?
Die Atome, die sich unten anhäufen, sind das, was wir Bose-Einstein-Kondensat nennen, und der Effekt tritt ein, weil das Demonstrationsexperiment so gemacht ist, dass es Einsteins Gleichungen gehorcht. Die Frage nach "was es wirklich bedeutet" hätte sich Einstein vermutlich stellen sollen, aber er hat es nicht getan. Er realisierte nicht, was für ein komisches Material das wäre, wenn alle Atome im gleichen Energiezustand sind, wie hier. Es bedeutet zum Beispiel, dass alle Atome absolut identisch sind. Es ist unmöglich, sie durch eine Messung zu unterscheiden.
Aber ich kann doch hinschauen und sehe die verschiedenen schwarzen Punkte, welche verschiedene Atome darstellen. Wie können die denn identisch sein?
Eine gute Bemerkung. Du hast gerade auf einen Fehler in der Darstellung des Demonstrationsexperiments hingewiesen. In Wirklichkeit ist ein Atom im niedrigsten Energieniveau etwas verschmiert. Es sieht aus wie eine verschwommene kleine Kugel. Wenn man viele Atome hat, so liegen alle diese verschwommenen Kugeln genau übereinander.
Jetzt kann ich die Atome nicht mehr voneinander unterscheiden; sie sind alle am gleichen Ort. Aber ich weiß, dass sich die Atome in Wirklichkeit nicht so verhalten. Es gibt Tische, Stühle und all die anderen Gegenstände, deren Form daher kommt, dass ihre Atome an verschiedenen Orten angeordnet sind.
Da siehst du, wieso es so lange gedauert hat, zu verstehen, was BEC wirklich bedeutet. Atome können in der Tat alle am gleichen Ort sein, aber dies widerspricht allem, was wir um uns herum sehen. Nur bei den unglaublich niedrigen Temperaturen, die man für BEC braucht, verlieren die Atome ihre individuellen Identität und kollabieren zu einem einzigen Klumpen. Manche Leute haben es aus diesem Grund ein "Superatom" genannt.
