Während man sich einen klassischen
Doppelspalt-Versuch deuten kann durch eine Überlagerung von
zwei klassischen Wellen ("Wellen-Iinterferenz"), zeigen Versuche,
dass in der Quantenphysik Interferenz auch dann eintritt, wenn jeweils
nur ein einziges Quanten-Teilchen den Doppelspalt passiert ("Einteilchen-Interferenz").
Dann
kann man nicht mehr vermuten, dass hier zwei konkrete "Dinge" einander
überlagern, weil nur ein einziges Teilchen vorhanden ist.
Ein solcher Versuch wurde erstmals von Taylor 1909
**) vorgeschlagen und der damaligen
Technik entsprechend mühsam durchgeführt. Dazu wurde in einen lichtdicht
abgeschlossenen Holzkasten eine schwache monochromatische Lichtquelle
eingebaut, die auch noch durch Filter und Blenden abgedunkelt war.
Ebenfalls in dem lichtdichten Kasten eingelassen war eine Fotoplatte als
Schirm. Jeweils nach unterschiedlichen Zeiten, schließlich über Wochen
hin, wurden die Fotoplatten entwickelt und die Nachweisorte der Photonen
auf der Fotoplatte sichtbar gemacht.
1. Nach relativ kurzer Belichtung erkannte man nur einige
wenige Stellen, an denen Photonen nachgewiesen werden konnten. Diese
waren ganz zufällig verteilt und verrieten keinerlei Struktur.
2. Nach längerer Belichtungszeit konnte man die Photonen
an immer mehr Stellen nachweisen, immer noch zufällig verteilt, aber mit
einer geringfügigen Häufung an solchen Stellen, wo die zur Wellenlänge
des verwendeten Lichts gehörige Interferenzfigur ihre Maxima hatte.
3. Bei relativ langer Belichtungszeit entstanden sehr
viele Schwärzungspunkte in der Nähe der Maxima, immer weniger, je näher
man sich den Minima der Interferenzfigur näherte, dort gar keine. Man
erkannte immer noch einzelne, mehr oder weniger zufällig verteilte
Nachweise.
4. Bei sehr langer Belichtungszeit entstand ein
Schwärzungsbild auf der Fotoplatte wie bei einer Welle.
1957 hat eine ungarische Gruppe um Janossy
einen analogen Präzisionsversuch dazu durchgeführt: Statt eines
Doppelspalt-Experiments untersuchten sie die Interferenz in einem
(verwandten) Mach-Zehner-Interferometer. Das
Interferometer war erschütterungssicher in einem Felshohlraum eingebaut,
es wurde für konstante Temperatur gesorgt, damit Temperaturveränderungen
der Interferometer-Arme ausgeschlossen waren, niemand war während der
Versuchsdurchführung anwesend, sondern der Versuch wurde ferngesteuert.
Das Ergebnis war ähnlich wie von Taylor. Tatsächlich kann ein Experiment
mit einer abgeschwächten Lichtquelle nicht ausschließen, dass zufällig
zwei Photonen gleichzeitig durch den Doppelspalt treten. Endgültige
Beweiskraft hat erst ein Interferenz-Experiment nach Grangier, Roger und
Aspect (GRA 1986), das eine
"Einzelphotonenquelle" verwendet. **)
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Ein ähnlicher Versuch wurde 1989 von Tonomura
erstmals mit Elektronen durchgeführt bei ähnlichem
Ergebnis. Statt eines Doppelspalts verwendete er allerdings wie
Möllenstedt ein elektronenoptisches
Biprisma. Vgl. Text
und Video von Hitachi und Artikel
Science Web (daraus ist das nebenstehende Bild).
Vgl. auch das Video
Im Unterschied zu einem klassischen
Doppelspalt-Versuch mit Laserlicht etwa baut sich bei den hier
beschriebenen Versuchen eine Interferenzfigur erst allmählich
auf. Während man klassisch die Interferenzfigur durch ein
Diagramm darstellen kann für die Abhängigkeit der gemessenen Lichtintensität
(Energie pro s pro m2) von der Position auf
dem Schirm quer zur optischen Achse, erhält man hier eine
entsprechende Darstellung erst, wenn man die Anzahl der
nachgewiesenen Teilchen pro s und m2
aufträgt.
An diesem Versuch erkennt man ganz klar den
Unterschied zwischen Einteilchen- und Welleninterferenz:
Die einzelnen Teilchen werden an statistisch verteilten Orten
nachgewiesen. Bereits für einzelne
Teilchen bestehen aber Maxima und Minima für die
Nachweiswahrscheinlichkeit. Bei Welleninterferenz entsteht
dagegen immer das ganze Interferenzbild, wenn auch evtl. mit
sehr kleiner Intensität.
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2012 wurde ein entsprechender Versuch mit Molekülen
veröffentlicht ( https://www.scinexx.de/news/technik/forscher-filmen-wellen-verhalten-von-molekuelen/;
siehe auch: T. Juffmann et al, DOI:
10.1038/NNANO.2012.34).
Manche Physiker sagen in ihrem Jargon in dieser Situation,
dass das Teilchen "beim Durchtritt durch den Doppelspalt mit sich selbst
interferiere" und haben dabei die zwei sich überlagernden Teile der
Welle vor Augen. Ein solches Bild sollte man aber nicht wörtlich nehmen;
wir wissen ja, dass Teilchen als solche unteilbar sind. (Sie können zwar
evtl. zerlegt werden, die Bruchstücke sind aber von anderer Art als das
ursprüngliche Teilchen). Es genügt, wenn man die verallgemeinerte
Auffassung der Interferenz verwendet und berücksichtigt, dass für
jedes einzelne Teilchen zwei klassisch denkbare Möglichkeiten des
Durchtritts bestehen, zwischen denen nicht durch eine Messung
entschieden wird ("Interferenz von
Möglichkeiten"). Man kann durch eine Messung auch bei
einzelnen Teilchen im Prinzip den Durchtrittsort messen; dann hat man
aber den Versuch so abgeändert, dass keine Interferenz beobachtet wird.
Es gibt keine Möglichkeit, einen Zusammenhang zwischen einem klassisch
denkbaren Durchtrittsort und dem Nachweisort auf dem Schirm zu finden.
Deswegen verzichtet man auf die Vermutung, dass das nachgewiesen
Teilchen zuvor durch einen bestimmten Spalt gelaufen ist, und sagt, dass
es ohne eine Messung keinen
Durchtrittsort gibt, wenn Interferenz beobachtet wird.
| E |
Das Doppelspalt-Experiment lässt sich nicht nur
mit Interferenz von klassischen Wellen deuten, sondern
auch durch Interferenz konkurrierender klassisch denkbarer
Möglichkeiten. Das wird bewiesen durch die Tatsache, dass
bereits ein einzelnes Teilchen in der Anordnung zur Interferenz
führt (Einteilchen-Interferenz).
Diese kann aber nur nachgewiesen werden, wenn der Versuch
mit ununterscheidbaren, jeweils gleich präparierten Teilchen
oft wiederholt wird.
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**) Seit 1963 (Glauber) weiß
man, dass beim Taylor-Versuch bzw. bei stark abgeschwächtem Laserlicht
die Anwesenheit von genau einem Photon in der Apparatur keineswegs
gesichert ist. Vgl. kohärente Zustände.
bzw. Poisson-Verteilung der
Photonenzahlen.
Warnung: M.E. sollte man
weder von "fliegenden" noch "auftreffenden" Teilchen sprechen, weil
damit assoziiert wird, dass die (Quanten-)Teilchen von irgendwoher
kamen, sogar eine Geschwindigkeit hatten und jetzt auf den Schirm
"aufknallen". Wir wissen: Ein (Quanten-) Teilchen kann nicht
gleichzeitig einen Ort und eine Geschwindigkeit haben. Wenn ein Teilchen
irgendwo nachgewiesen wurde, kann niemand sagen, woher mit welcher
Geschwindigkeit es kam. Eine Frage danach wäre für ein
(Quanten-)Teilchen sinnlos.