„Habe nun ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie! durchaus studiert mit heißem Bemühn. Da steh ich nun, ich armer Tor! und bin so klug als wie zuvor; heiße Magister, heiße Doktor gar, und ziehe schon an die zehen Jahr herauf, herab und quer und krumm meine Schüler an der Nase herum – und sehe, dass wir nichts wissen können!

Das will mir schier das Herz verbrennen!“ 

- Faust I, S. 354–365

0-fach Spalt

Grafik 1
Grafik 1

Grafik 1 skizziert folgenden Versuch. Links befindet sich ein Laser als Lichtemittent. Dieser Laser bescheint den Schirm rechts. Wie zu erwarten verteilt sich das Licht gleichmäßig auf dem Schirm und erhellt diesen. 

1-fach Spalt

Grafik 2
Grafik 2

Nun wird ein Einfachspalt zwischen Laser und Schirm gestellt und somit die Versuchsanordnung verändert. Hinter dem Spalt auf dem Schirm treten Photonen auf, an den anderen Stellen nicht. Das entstehende Muster auf dem Schirm in Grafik 2 lässt sich erklären, indem man sich Licht als Ansammlung von Photonenteilchen vorstellt. Analog mag man sich eine Tennisballmaschine vorstellen, die Bälle durch einen Spalt auf eine Wand schießt.

2-fach Spalt

Grafik 3
Grafik 3

Als drittes platzieren wir einen Doppelspalt zwischen  Laser und Schirm. Nach dem Teilchenmodell des Lichts ist zu erwarten, dass das Licht an den Stellen hinter den Spaltöffnungen aufkommt. Doch verblüffenderweise ist dem nicht so. Es entsteht ein Interferenzmuster, (selbst wenn nur ein einzelnes Photon nach dem anderen emittiert wird!) das nicht mit dem Teilchenmodell des Lichts zu erklären ist. Vielmehist Interferenz charakteristisch für eine Welle.

Messung

Grafik 4
Grafik 4

Denkt man ein wenig über das entstandene Interferenzmuster nach, müsste jedes Photon beide Spalte gleichermaßen passiert habenDas klingt absurd. Nun könnte man wie in Grafik 3 dargestellt auf die Idee kommen an jedem Spalt die Photonen zu messen. Damit hätte man die Information, welches Photon welchen Weg geht. Mit der Messung verschwindet jedoch das Interferenzmuster. Es scheint als ob der Detektor aus einer Welle wieder ein Teilchen macht.

Welcher-Weg-Information

Grafik 5
Grafik 5

Interferenz und Welcher-Weg-Information sind augenscheinlich komplementär zueinander. Das heißt man kann nicht die Welche-Weg-Information erhalten, ohne das Interferenzmuster damit zu zerstören. Und möchte man Interferenz, darf man den Weg des Photons nicht messen. Weiß man ungefähr, wo das Photon sich befindet schwächt dies die Interferenz.

Hat man ein Photon detektiert kann man mithilfe eines Quantenradierers die Welche-Weg-Information danach wieder löschen. Folglich lässt sich auch wieder ein Interferenzmuster beobachten (siehe Grafik 5).

Schlussworte

Die Ergebnisse von und Konsequenzen aus dem Doppelspaltexperiment gelten nicht nur für Photonen. Wie man heute weiß bilden alle Quantenobjekte wie z.B.: Elektronen, Atome aber auch C60-Moleküle ein Interferenzmuster.

 

Anhand des Doppelspaltexperiments lassen sich viele Phänomene der Quantenphysik erklären und darstellen. Deshalb habe ich es als Einstieg gewählt, in die wunderkomische Welt der Quanten.

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