I.2.1 Experiment mit Licht am Strahlteiler
Verhalten von Licht "üblicher" Intensität am Strahlteiler - entsprechend der Vorstellung von klassischen elektromagnetischen Wellen
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Versuch:
Verwendet wird ein "Strahlteiler", der mit Laser-Licht unter 450 beleuchtet wird, und zwei Lichtsensoren für das austretende Licht. Grundbestandteil des Strahlteilers ist eine Glasplatte. Stellt man sie unter 450 einem Lichtstrahl in den Weg, so werden wenige Prozent der Lichtintensität an ihrer Oberfläche so reflektiert, dass sie unter 900 gegenüber dem einfallenden Strahl den Strahlteiler verlassen. |
| Das meiste Licht geht mehr oder weniger geradeaus durch. Dampft man dünne Metallschichten in geeigneter Weise auf, "verspiegelt" man also die Glasplatte geeignet, so können 50% des Lichts geradeaus durchgehen, während die anderen 50% des Lichts reflektiert werden und so unter 900 gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl den Strahlteiler verlassen. | |
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Elektromagnetische Welle (Licht) am Strahlteiler |
Einzelne Photonen am Strahlteiler |
In Richtung des durchgehenden Strahls und des reflektierten Strahls werden Lichtsensoren aufgebaut, die entweder die "Intensität" des einfallenden Lichts messen oder - später - einzelne Photonen zählen können, so genannte "Photo-Detektoren" oder Photonenzähler.
Das Experiment zeigt: Bei einer klassischen elektromagnetischen Welle
(Licht) wird die Amplitude beider Teilwellen so reduziert, dass beide
Strahlen an einem (idealen) Strahlteiler je 50% der Lichtleistung enthalten.
Die Welle teilt sich in zwei gleichartige Wellen mit halbierter Intensität
auf, die beide eine um den Faktor 1/√2 reduzierte
Amplitude haben [(1/√2)2 = 1/2].
Die reflektierte Welle erleidet aber einen Phasensprung um
π/2 .
Nach der klassischen Theorie elektromagnetischer Felder sollten auch bei beliebigen Intensitäten, also auch bei noch so schwachem Licht, die Amplituden beider Strahlen am Strahlteiler in gleichem Maße reduziert werden. |
I.2.2 Das G-R-A-Experiment: Photonen am Strahlteiler mit Photodetektoren untersucht
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I.2.2 Das G-R-A-Experiment: Photonen am Strahlteiler mit Photodetektoren untersucht
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I.2.2 Das Das G-R-A-Experiment: Photonen am Strahlteiler mit Photodetektoren untersucht
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Grangier, Roger und Aspect (G-R-A) experimentierten bei einem ganz ähnlichen Versuchsaufbau mit einzelnen Photonen. Sie schickten sie über einen Strahlteiler (halbdurchlässigen Spiegel) zu zwei Photodetektoren D1 und D2. Um sicher zu sein, dass nicht etwa zwei verschiedene Photonen die Detektoren auslösten, ersannen sie einen Trick: Sie setzten eine Zwei-Photonen-Quelle ein, die jeweils zwei Photonen quasi gleichzeitig abgibt.
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| Als Zwei-Photonen-Quelle nahmen sie Kalzium-Atome, denen sie zuerst mit zwei Lasern Energie zuführten. Die angeregten Atome gaben die Energie in zwei Schritten ab ("Kaskadenprozess"), erst durch einen Übergang vom angeregten Zustand in einen Zwischenzustand, wobei ein Photon der Energie 2,24 eV ausgesandt wurde, und dann anschließend durch einen Übergang vom Zwischenzustand in den Grundzustand, wobei ein Photon der Energie 2,93 eV ausgesandt wurde. Die Besonderheit der Ca-Atome ist es, dass die beiden Photonen quasi gleichzeitig ausgesandt werden mit einer Zeitdifferenz von maximal 4,7 ns. |
Eines der beiden Photonen hatte nur die eine Funktion, als Bote zu wirken, der an einen dritten Detektor DT die Nachricht überbrachte, dass jetzt genau ein Photon gegen den Strahlteiler geschickt wurde ("Boten-Photon"). Dieser Detektor machte im gleichen Augenblick sozusagen die anderen beiden Detektoren "scharf" (Trigger-Signal). Das zweite Photon war das eigentliche Mess-Photon, das durch einen der Detektoren D1 oder D2 nachgewiesen wird. Mit Hilfe eines Koinzidenz-Zählers wurde festgestellt, ob die Messdetektoren D1 und D2 gleichzeitig ansprachen (dann hätte sich das Photon aufgeteilt) oder nicht (dann wäre immer nur ein ungeteiltes Photon den einen Weg oder den anderen gegangen).
(1) Genau das beobachteten sie: So gut wie nie sprachen beide Detektoren gleichzeitig an.
Natürlich musste dafür gesorgt werden, dass unterschiedliche Laufzeiten der sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden Photonen keine Auswirkung hatten.
Im Gegensatz zum Versuch mit klassischen elektromagnetischen Wellen wurde
also festgestellt:
Ein Photon kann sich am Strahlteiler nicht aufteilen. |
Das eine Photon wird als Ganzes in Geradeausrichtung durch Detektor D2 nachgewiesen, ein anderes als Ganzes in Querrichtung durch Detektor D1, zufällig mal so, mal so, ohne dass man je einen Grund für die unterschiedlichen Nachweise angeben könnte.
(2) Hier zeigt sich zum ersten Mal ein Grundfaktum der Quantenphysik, der "objektive Zufall". Es sind stets einzelne unteilbare Photonen, die nachgewiesen werden: Wenn Teilchen auftreten, treten sie als ganze Teilchen auf, aber es ist nicht vorhersagbar, welchen Weg sie gehen, in welchem Detektor sie nachgewiesen werden. Sie haben nicht die Eigenschaft "bestimmter Weg durch den Strahlteiler". Im Laufe der Zeit werden Sie weitere Grundfakten kennen lernen. Eine Kurzfassung finden Sie hier.
(3) Aber, wenn man den Versuch mit einzelnen Photonen sehr oft wiederholt, entsteht doch eine gesetzmäßige Aussage: Im Mittel werden dann in beiden Detektoren gleich viele Photonen nachgewiesen: mit 50% Wahrscheinlichkeit jeweils bringt ein Photon den einen Detektor zum Ansprechen oder mit ebenfalls 50% Wahrscheinlichkeit den anderen. Der objektive Zufall ist offenbar nicht Willkür, sondern ist kontrolliert durch ein Naturgesetz.
Das Versuchsergebnis ist also grundsätzlich anders als bei Wellen, die sich immer zur Hälfte gleichmäßig auf beide Wege mit reduzierter Amplitude aufteilen würden.
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| Schon die einfallenden Photonen treten in zufälligen Zeitabständen auf. Bei sehr vielen Versuchen mit einzelnen Photonen findet man bei beiden Detektoren ganz unregelmäßige, statistisch verteilte Folgen von Photonen, eben ein Zeichen des "objektiven Zufalls". Er heißt "objektiv", weil er nicht eine Folge von subjektiver Unkenntnis des Beobachters ist, sondern von objektiv vorhandenen Eigenschaften der Natur. Im Mittel werden aber bei beiden Detektoren gesetzmäßig 50% der Photonen nachgewiesen. |
Es lässt sich nicht vorhersagen, in welchem Detektor ein bestimmtes Photon nachgewiesen wird, "welchen Weg ein bestimmtes Photon gehen" wird. Wie wir später sehen werden, handelt es sich dabei nicht um eine Aussage über die vermeintlich beschränkten Fähigkeiten der Physiker, sondern ist eine grundsätzliche Eigenart der Quantenphysik, eben Ausdruck des "objektiven Zufalls". Konkret müssen wir sagen, dass es überhaupt keinen Sinn hat, von einem solchen Weg zu reden, wenn dieser nicht durch eine Messung be-stimmt worden ist.
(Führt man den Versuch mit normalem thermischen ("chaotischen") Licht durch, z.B. mit Licht von einer Glühlampe, stellt man sogar fest, dass dann, wenn einer der Detektoren angesprochen hat, mit Vorliebe gleich darauf auch der zweite ein Photon nachweist. Eigenartigerweise ist das mit Laserlicht nicht so, und schon gar nicht bei Licht eines einzelnen Ions. (Hanbury-Brown/Twiss-Versuch)
I.2.3 Versuch mit Polarisator PO und dazu verdrehtem Analysator AN:
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Es ist Zufall, ob das Photon, das den Polarisator PO passiert hat, auch den Analysator AN passieren kann oder nicht.
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Die Durchlasswahr- scheinlichkeit P hängt gesetzmäßig vom Drehwinkel φ ab
Analoge Überlegungen mit zwei Polfiltern (Polarisator PO und Analysator AN) zeigen ganz ähnlich die Kombination von zufälligem und gesetzmäßigem Verhalten:
(A) Bei hellem Licht: Wenn die beiden Polarisatoren gegeneinander verdreht sind um den Winkel φ, wird die durchgelassene Lichtintensität - abhängig vom Drehwinkel φ - gleichmäßig geschwächt. Die Intensität des durchgelassenen hellen Lichts genügt dem Gesetz: I = I0·cos2(φ).
(B) Im Gegensatz dazu ist es bei einzelnen Photonen Zufall, ob sie den gedrehten Analysator AN passieren können oder nicht. Die Wahrscheinlichkeit, dass sie passieren können, hängt vom Drehwinkel φ ab. Macht man sehr viele Versuche mit gleichen Photonen, bemerkt man die Gesetzmäßigkeit, dass die Durchlasswahrscheinlichkeit P in gleicher Weise vom Drehwinkel φ abhängt wie bei hellerem Licht die durchgelassene Lichtintensität: P = cos2(φ).
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